专利名称：一种相变存储器的擦写方法
技术领域：
本发明涉及存储器的操作方法，尤其是指可实现低功耗的相变存储器的擦写方法。本发明属于微纳电子学技术领域。
背景技术：
相变存储器技术是基于Ovshinsky在20世纪60年代末(Phys.Rev.Lett.，21，1450～1453，1968)70年代初(Appl.Phys.Lett.，18，254～257，1971)提出的相变薄膜可以应用于相变存储介质的构想建立起来的，是一种价格便宜、性能稳定的存储器件。相变存储器可以做在硅晶片衬底上，其关键材料是可记录的相变薄膜、加热电极材料、绝热材料和引出电极材的研究热点也就围绕其器件工艺展开器件的物理机制研究，包括如何减小器件料等。相变存储器的基本原理是利用电脉冲信号作用于器件单元上，使相变材料在非晶态与多晶态之间发生可逆相变，通过分辨非晶态时的高阻与多晶态时的低阻，可以实现信息的写入、擦除和读出操作。
相变存储器由于具有高速读取、高可擦写次数、非易失性、元件尺寸小、功耗低、抗强震动和抗辐射等优点，被国际半导体工业协会认为最有可能取代目前的闪存存储器而成为未来存储器主流产品和最先成为商用产品的器件。
相变存储器的读、写、擦操作就是在器件单元上施加不同宽度和高度的电压或电流脉冲信号擦操作(RESET)，当加一个短且强的脉冲信号使器件单元中的相变材料温度升高到熔化温度以上后，再经过快速冷却从而实现相变材料多晶态到非晶态的转换，即“1”态到“0”态的转换；写操作(SET)，当施加一个长且中等强度的脉冲信号使相变材料温度升到熔化温度之下、结晶温度之上后，并保持一段时间促使晶核生长，从而实现非晶态到多晶态的转换，即“0”态到“1”态的转换；读操作，当加一个对相变材料的状态不会产生影响的很弱的脉冲信号后，通过测量器件单元的电阻值来读取它的状态。
目前世界上从事相变存储器研发工作的机构大多数是半导体行业的大公司，他们关注的焦点都集中在如何尽快实现相变存储器的商业化上，问题集中在降低相应的操作电流，器件结构设计和存储机理研究等。其中器件的操作电流的降低是非常关键和重要的，因为相变存储器器件单元的相变过程最终要靠金属互补氧化物半导体管或者二极管的驱动来实现，为了实现与高密度存储芯片中的CMOS管操作电流或者二极管操作电流相匹配，必需降低器件的电流。目前降低器件功耗的方法都只是对器件本身的改动，方法分别有减小电极与相变材料的接触面积；提高相变材料的电阻；在电极与相变材料之间或相变材料内部添加热阻层等等。但是这些方法都要对器件本身进行改动，成本巨大，而通过改变编程方式，从而实现读写操作能够节省成本，这正是本发明的出发点。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种相变存储器的擦写方法，降低存储器的擦写脉高，在不改变相变存储器器件结构的情况下，降低器件功耗。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案 一种相变存储器的擦写方法，进行擦操作时，包括以下步骤 步骤一，对器件中的相变材料施加一个脉冲，所述脉冲使相变材料达到熔融温度，并在相变材料局部形成非晶区域； 步骤二，对器件中的相变材料继续施加多个脉冲，在相变材料中累积非晶区域，直至器件从低阻态转到高阻态。
进一步地，所述相变存储器的引导元件是CMOS管或P-N二极管。其中，引导元件为与相变存储器串联的开关器件，通过控制引导元件来控制操作相变存储器的电流信号的导通和关闭。
进一步地，步骤二中在相变材料中累积非晶区域是通过使得非晶区域和电极形成串联，从而使器件从低阻态转到高阻态。
进一步地，所述的脉冲为电流脉冲或电压脉冲。
进一步地，所述的脉冲为电流脉冲时，脉高为0.20-0.30mA。
进一步地，所述的脉冲为电压脉冲时，脉高为0.3-0.7V。
作为本发明的优选方案之一，步骤一所述脉冲的脉宽为20-120ns。
作为本发明的优选方案之一，步骤二所述多个脉冲中的每一个脉冲，其脉宽为20-40ns。
作为本发明的优选方案之一，步骤二所述多个脉冲之间的间隔为5-40ns。
作为本发明的优选方案之一，步骤二所述多个脉冲的脉高小于等于步骤一所述脉冲的脉高。
进一步地，步骤二所述多个脉冲中的每一个脉冲，其脉高都小于等于其前一个脉冲的脉高，用以保证每个脉冲操作不对上个脉冲操作留下的非晶区域造成重新结晶的影响。
通常相变存储器进行擦操作(RESET)时，需要施加一个短且强的脉冲信号使器件单元中的相变材料温度升高到熔化温度以上；写操作(SET)时，施加一个长且中等强度的脉冲信号使相变材料温度升到熔化温度之下、结晶温度之上。这种传统的擦写方法由于强调器件反应速度，所以要求操作脉宽小，因而通常采用较强的单脉冲，器件的操作电流或电压较大。为了降低器件功耗，本发明降低了脉冲的脉高，采用多脉冲，通过累积作用实现存储器的擦写操作，一方面低脉高产生的低热量有利于材料稳定性，另一方面低脉高能够保证相变存储器在要求低编程电流(电压)环境下的应用。
在本发明的技术方案中，通过小脉冲累积非晶区域的方式可实现RESET操作。这种积累式的RESET操作只要一开始的操作脉冲能够使得多晶相变材料中有熔融区域即可，而满足多晶相变材料中有熔融区域的要求只需要很小的操作电流。现有技术中，单脉冲操作下RESET电流一般为2-3mA，而本发明的方案能够在保持器件结构不变的情况下，降低RESET操作电流到0.2-0.3mA。目前PCRAM的reset脉宽一般是100ns，SET脉宽一般是1000ns，因而影响相变存储器速度的关键因素是SET脉宽(1000ns)。本发明的技术方案可以实现在1000ns内完成累积操作，所以该擦写操作可以在不牺牲相变存储器操作速度的基础上降低擦写电流。
因而相较于现有技术，本发明的有益效果在于该相变存储器的擦写方法可以限制操作电流(或电压)，通过多脉冲的累积作用，提高电流密度，从而提高热效率，在不改变相变存储器器件结构的情况下，降低了器件功耗，大大节省了优化器件结构的成本。
图1是实施例1，2中相变存储器器件纵向截面结构轴对称示意图； 图2是实施例1中步骤一的单电流脉冲示意图； 图3是实施例1中步骤二的多个电流脉冲电流示意图； 图4a、图4b是实施例1的步骤一电流操作后的高阻态区域分布图和温度分布图； 图5a、图5b是实施例1的步骤二中第一个电流脉冲操作后的高阻态区域分布图和温度分布图； 图6a、图6b是实施例1的步骤二中第二个电流脉冲操作后的高阻态区域分布图和温度分布图； 图7a、图7b是实施例1的步骤二中第三个电流脉冲操作后的高阻态区域分布图和温度分布图； 图8是实施例中电流操作中相变材料电阻和操作时间的关系示意图； 图9是实施例2中步骤一的单电压脉冲示意图； 图10是实施例2中步骤二的多个电压脉冲示意图； 图11a、图11b是实施例2的步骤一电压操作后的高阻态区域分布图和温度分布图； 图12a、图12b是实施例2的步骤二中第一个电压脉冲操作后的高阻态区域分布和温度分布图； 图13a、图13b是实施例2的步骤二中第二个电压脉冲操作后的高阻态区域分布图和温度分布图； 图14是实施例中电压操作中相变材料电阻和操作时间的关系示意图。
图中的标记说明 11 下电极12 相变材料 13 上电极14 绝缘材料 15 中心对称轴线 41 图4b的熔融温度等温线 42 图4a的非晶区域51 图5b的熔融温度等温线 52 图5a的非晶区域61 图6b的熔融温度等温线 62 图6a的非晶区域71 图7b的熔融温度等温线 72 图7a的非晶区域 81，82，83，84，85相变材料在不同脉冲操作后的电阻数据点的位置 111 图11b的熔融温度等温线112 图11a的非晶区域 121 图12b的熔融温度等温线122 图12a的非晶区域 131 图13b的熔融温度等温线132 图13a的非晶区域 141，142，143，144 相变材料在不同脉冲操作后的电阻数据点的位置
具体实施例方式 下面结合图示更完整的描述本发明，本发明提供优选的实施例，但不应被认为仅限于在此阐述的实施例中。
相变存储器通常由多个器件单元构成，每个器件单元包括相变材料和与相变材料相接触的上电极与下电极，存储器就是通过对器件单元施加不同宽度和高度的电脉冲信号实现读、擦、写操作的。这些电脉冲信号可以通过编程方式改变它们的脉高和脉宽，并由电极施加到相变材料上。
传统的擦写方法由于采用了较强的脉冲信号，器件的操作电流或电压较大，电流通常为2-3mA，电压通常＞1V。为了降低器件功耗，本发明提供一种新的相变存储器的擦写方法，该方法可以适用于任何相变存储器件单元。所述相变存储器的引导元件可以是CMOS管也可以是P-N二极管。
采用该方法进行擦操作时，包括以下步骤 步骤一，根据该相变存储器单元结构和相变材料的特点对器件中的相变材料施加一个较低脉高的脉冲使相变材料升温，该脉冲使相变材料中的最高温度点恰好达到熔融温度，并在相变材料局部形成非晶区域。其中，所形成的非晶区域不要完全封住下电极(或上电极)，只要有非晶态形成即可。
步骤二，对相变材料继续施加多个较低脉高的脉冲，在相变材料中累积非晶区域，直至器件从低阻态转到高阻态。其中，在相变材料中累积非晶区域是通过使得非晶区域和电极形成串联来使器件从低阻态转到高阻态的。
所述的脉冲为电流脉冲或电压脉冲。所述的脉冲为电流脉冲时，脉高为0.20-0.30mA；所述的脉冲为电压脉冲时，脉高为0.3-0.7V。根据不同的相变存储器单元结构和相变材料的特点，所采用的脉高也会有所不同。
作为本发明的优选方案，步骤一所述脉冲的脉宽为20-120ns；步骤二所述多个脉冲中的每一个脉冲，其脉宽为20-40ns。步骤二所述多个脉冲之间的间隔为5-40ns。
作为本发明的优选方案，步骤二中所述多个脉冲的脉高小于等于步骤一中所述脉冲的脉高。进一步地，步骤二所述多个脉冲中的每一个脉冲，其脉高都小于等于其前一个脉冲的脉高，用以保证每个脉冲操作不对上个脉冲操作留下的非晶区域造成重新结晶的影响。
第一个脉冲操作形成的非晶区域在多晶相变材料中相当于一个阻挡层，可以限制电流分布，提高局部电流密度，从而提高热效率。当加第二个脉冲时，脉冲高度还是保持较小的电流(电压)，在电极和非晶区域间的通道中间形成熔融区域，迅速淬火，使得此熔融区域形成非晶。通过两次操作，非晶区域变大，进一步限制了电流，提高了电流密度，提高了热效率。再加第三个脉冲电流(电压)，由于更大的电流密度，从而使得热效率极大的提高，同样的脉高能够熔融更多的晶态相变材料。以此累加直至高阻态非晶区域封住电极，使得器件中多晶与非晶的并联状态转变成串联状态，使器件达到高阻态，实现擦写操作(reset)。
实施例1 相变存储器器件纵向截面轴对称结构如图1所示，下电极11材料为W，相变材料12为Ge2Sb2Te5，上电极13材料为W，周围的绝缘材料14为SiO2，中心对称轴线15。下电极半径为20nm。相变材料厚度为150nm。
步骤一，对器件施加一个单脉冲，如图2所示，脉高为0.20-0.30mA，本实施例优选为0.25mA，脉宽(操作时间)为20-120ns，优选为100ns。器件在25-30ns时刻即达到热平衡。也就是说当器件通电流时，一方面相变材料产生热量，一方面器件通过上下电极和周围介质材料散热，在小于25-30ns时，器件中散热需要时间，产生热量占主要作用，温度升高，在大于25-30ns时，器件中产生的热量和散发的热量达到平衡，温度维持不变。
此时温度保持如图4a、4b所示，其中图4b的熔融温度等温线41包裹的范围内，相变材料融化，脉冲停止，温度迅速降低，熔融区域形成图4a的非晶区域42。非晶未能封住下电极，未能形成高阻和低阻的串联，因此器件电阻保持低阻态。如图8中81，82，83，84处的方形数据点所示，电阻一直维持在4.5kohm。
步骤二，对器件施加多个脉冲，采用同样的脉高0.25mA，脉宽为20-40ns优选为30ns，多个脉冲之间的间隔为5-20ns，优选为5ns，如图3所示。
在第一次脉冲(0-30ns)操作中，器件在时刻30ns处即达到热平衡。此时温度分布如图5a、5b所示，其中图5b的熔融温度等温线51包裹的范围内，相变材料融化，脉冲停止，温度迅速降低，熔融区域形成图5a的非晶区域52。非晶未能封住下电极，未能形成高阻和低阻的串联，因此器件电阻保持低阻态。如图8中82处的圆形数据点所示，电阻为4.5kohm。
在第二次脉冲(35ns-65ns)操作中，器件在时刻65ns处即达到热平衡。此时温度分布如图6a、6b所示，其中图6b的熔融温度等温线61包裹的范围内，相变材料融化，脉冲停止，温度迅速降低，熔融区域形成图6a的非晶区域62。非晶区域有所增加，但仍未能封住下电极，未能形成高阻和低阻的串联，因此器件电阻有所增加，但依旧保持低阻态。如图8中83处的圆形数据点所示，电阻为9kohm。
在第三次脉冲(70ns-100ns)操作中，器件在脉冲时刻100ns处即达到热平衡，此时温度分布如图7a、7b所示，其中图7b的熔融温度等温线71包裹的范围内，相变材料融化，脉冲停止，温度迅速降低，熔融区域形成图7a的非晶区域72。非晶区域封住下电极，形成高阻和低阻的串联，因此器件从低阻态转为高阻态，实现擦写操作(reset)。如图8中85处的圆形数据点，电阻为2600kohm。
实施例2 与实施例1采用相同的技术方案，不同之处在于所采用的脉冲信号为电压脉冲。
步骤一，对器件施加一个单脉冲，如图9所示，脉高为0.3-0.7V，本实施例优选为0.3V，脉宽(操作时间)为20-120ns，优选为100ns。器件在25-30ns时刻即达到热平衡。温度保持如图11a、11b所示，其中图11b的熔融温度等温线111包裹的范围内，相变材料融化，脉冲停止，温度迅速降低，熔融区域形成图11a的非晶区域112。非晶未能封住下电极，未能形成高阻和低阻的串联，因此器件电阻保持低阻态。如图14中141，142，143处的方形数据点所示，电阻一直维持在4.3kohm。
步骤二，对器件施加多个脉冲，采用同样的脉高0.3V，脉宽为20-40ns优选为40ns，多个脉冲之间的间隔为20-40ns，优选为20ns，如图10所示。
在第一次脉冲(0-40ns)操作中，器件在时刻30ns处即达到热平衡。此时温度分布如图12a、12b所示，其中图12b的熔融温度等温线121包裹的范围内，相变材料融化，脉冲停止，温度迅速降低，熔融区域形成图12a的非晶区域122。非晶未能封住下电极，未能形成高阻和低阻的串联，因此器件电阻保持低阻态。如图14中142处圆形数据点所示，电阻为4.3kohm。
在第二次脉冲(60ns-100ns)操作中，器件在脉冲时刻100ns处即达到热平衡，此时温度分布如图13a、13b所示，其中图13b的熔融温度等温线131包裹的范围内，相变材料融化，脉冲停止，温度迅速降低，熔融区域形成图13a的非晶区域132。非晶区域封住下电极，形成高阻和低阻的串联，因此器件从低阻态转为高阻态，实现擦写操作(reset)。如图14中144处圆形数据点，电阻为2700kohm。
本发明中涉及的其他技术属于本领域技术人员熟悉的范畴，在此不再赘述。上述实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案。任何不脱离本发明精神和范围的技术方案均应涵盖在本发明的专利申请范围当中。
权利要求
1.一种相变存储器的擦写方法，其特征在于进行擦操作时，包括以下步骤
步骤一，对器件中的相变材料施加一个脉冲，所述脉冲使相变材料达到熔融温度，并在相变材料局部形成非晶区域；
步骤二，对器件中的相变材料继续施加多个脉冲，在相变材料中累积非晶区域，直至器件从低阻态转到高阻态。
2.根据权利要求1所述相变存储器的擦写方法，其特征在于所述相变存储器的引导元件是CMOS管或P-N二极管。
3.根据权利要求1所述相变存储器的擦写方法，其特征在于步骤二中在相变材料中累积非晶区域是通过使得非晶区域和电极形成串联来使器件从低阻态转到高阻态的。
4.根据权利要求1所述相变存储器的擦写方法，其特征在于所述的脉冲为电流脉冲或电压脉冲。
5.根据权利要求4所述相变存储器的擦写方法，其特征在于所述的脉冲为电流脉冲时，脉高为0.20-0.30mA。
6.根据权利要求4所述相变存储器的擦写方法，其特征在于所述的脉冲为电压脉冲时，脉高为0.3-0.7V。
7.根据权利要求1所述相变存储器的擦写方法，其特征在于步骤一所述脉冲的脉宽为20-120ns。
8.根据权利要求1所述相变存储器的擦写方法，其特征在于步骤二所述多个脉冲中的每一个脉冲，其脉宽为20-40ns。
9.根据权利要求1所述相变存储器的擦写方法，其特征在于步骤二所述多个脉冲之间的间隔为5-40ns。
10.根据权利要求1所述相变存储器的擦写方法，其特征在于步骤二所述多个脉冲的脉高小于等于步骤一中所述脉冲的脉高。
11.根据权利要求1所述相变存储器的擦写方法，其特征在于步骤二所述多个脉冲中的每一个脉冲，其脉高都小于等于其前一个脉冲的脉高，用以保证每个脉冲操作不对上个脉冲操作留下的非晶区域造成重新结晶的影响。
全文摘要
本发明公开了一种相变存储器的擦写方法，进行擦操作时，首先对器件中的相变材料施加一个脉高较低的脉冲，所述脉冲使相变材料恰好达到熔融温度，并在相变材料局部形成非晶区域；然后继续施加多个脉高较低的脉冲，在相变材料中累积非晶区域，直至器件从低阻态转到高阻态。本发明通过累积作用实现存储器的擦写操作，一方面低脉高产生的低热量有利于材料稳定性，另一方面低脉高能够保证相变存储器在要求低编程电流(电压)环境下的应用，在不改变相变存储器器件结构的情况下，降低了器件功耗，大大节省了优化器件结构的成本。
文档编号G11C16/06GK101699562SQ20091019925
公开日2010年4月28日 申请日期2009年11月23日 优先权日2009年11月23日
发明者龚岳峰, 宋志棠, 凌云 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所