相变存储器元件的修复方法及其应用与流程

本发明涉及相变存储元件的修复方法，特别是基于包含硫属化物及其他材料的相变存储元件的修复方法。

背景技术：

以相变为基础的存储材料，例如硫属化物或其他类似的材料可以通过施加合适的电流而导致在一非晶相与一结晶相之间相变。非晶相具有比结晶相更高的电阻率，其可以很容易被感应而作为指示数据之用。进而利用这些特性制作出可进行随机存取的读取或写入的非挥发存储器，即相变存储器。

相变存储器的数据是通过此相变材料的主动区域在非晶相与结晶相之间的转换而存储。例如，可通过施加一低压电流脉冲来将存储单元中的相变材料加热到高于一转换温度，以使主动区域中的相变存储材料自非晶相转变至结晶相，进而将热相变材料的电阻状态自初始电阻状态100或高电阻状态102转换至低电阻状态101的改变，以下指称为设置(set)。另外，也可通过施加短暂的高电流密度脉冲融化或破坏相变存储材料的结晶结构，使得至少部份相变材料得以维持在非晶相的结构，进而使热相变材料的电阻状态自低电阻状态101至高电阻状态102的改变，以下指称为重置(reset)。

请参照图1，图1是根据现有技术绘出的相变存储器中具有不同电阻状态的存储单元的数量(位计数)分布图。其中，每一个存储单元可通过设置或重置而具有至少一个高电阻状态102或一个低电阻状态101。每一种电阻状态对应一个彼此不重叠的电阻范围。其中，低电阻状态101的最高电阻R1与高电阻状态102的最低电阻R2之间的差值可定义出一读取区间，用来区分存储单元是在低电阻状态101或是高电阻状态102。存储在存储单元中的数据，可以通过感应存储单元的电阻值是高于或低于此读取区间 内的临界电阻值103，来决定此存储单元是对应至低电阻状态101的″0″状态或是对应至高电阻状态102的″1″状态。

然而，在经历多次重置及/或设置操作后，相变存储材料会因为重置及/或设置操作的次数、存储单元阵列中的位置差异、工艺条件或所暴露的环境温度因素而产生老化现象，而造成相变存储材料电子特性(包含电阻状态、电流-电阻关系或其他电子特性)的偏移。例如，在高电阻状态102的存储单元会因为重置及/或设置操作所施加的电能或热应力，使主动区域中的相变存储材料重新结晶而产生电阻逐渐降低的现象，导至操作电流越来越高。甚至因为高电阻状态102的最低电阻R2小于临界电阻值103而产生位错误(bit error)的问题。

因此，有需要提供一种更先进的相变存储器元件的修复方法，以改善现有技术所面临的相变存储材料老化的问题。

技术实现要素：

本说明书的一实施例是在提供一种相变存储器元件的修复方法，此修复方法包括下述步骤：首先，提供至少一个存储单元，使此存储单元包含具有偏移(shift)电流-电阻特性函数的相变存储材料。接着，对相变存储材料施加一回复应力(healing stress)，使相变存储材料的偏移电流-电阻特性函数转换为初始(initial)电流-电阻特性函数。其中，偏移电流-电阻特性函数为电流-电阻特性函数的平移函数(translation of function)。

本说明书的另一实施例是在提供一种相变存储器元件的操作方法，此一操作方法包括下述步骤：首先，提供具有多个存储单元的相变存储器元件，其中每一个存储单元具有相变存储材料。接着，使至少一个存储单元的相变存储材料具有偏移电流-电阻特性函数，并设定具有偏移电流-电阻特性函数的存储单元为第一状态。然后，对至少一个具有第一状态的存储单元施加一回复应力，使存储单元的该偏移电流-电阻特性函数转换为初始电流-电阻特性函数；其中，偏移电流-电阻特性函数实质为电流-电阻特性函数的平移函数。并将具有初始电流-电阻特性函数的存储单元设定为第二状态。再通过第一状态及第二状态，在这些存储器胞元中读取数据。

根据上述实施例，本发明是在提供一种相变存储器元件的修复方法，通过对存储单元的相变存储材料施加回复应力，使(因为重置及/或设置操作的次数、在阵列中的结构、材料的变动、工艺条件或所暴露的环境温度因素)老化的相变存储材料的电子特性，例如相变存储器材料的电流-电阻特性函数，由偏移的状态回复到一开始的初始状态。以解决现有技术因存储单元的相变存储材料老化所导致的操作电流增加，甚至产生瑕疵存储单元的问题。

另外，利用相变存储器材料的偏移电流-电阻特性函数和初始电流-电阻特性函数二者之间的可回复性，来提供存储单元另一种数据存取的方式。据以在不改变相变存储器元件的结构，大幅提升数据的存储密度。

附图说明

为了对本发明的上述实施例及其他目的、特征和优点能更明显易懂，特举数个较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：

图1是根据现有技术绘出的相变存储器中具有两种电阻状态的存储单元的数量分布图；

图2是根据本发明的一实施例绘出的相变存储器元件存储器阵列中存储单元的结构剖面示意图；

图3是根据本发明的一实施例绘出的现有存储单元中相变材料的电流-电阻关系图；

图4是根据本发明的一实施例绘出的相变存储器元件的简化电路方块图；

图5是根据本发明的一实施例绘出的一种修复相变存储器元件的存储单元中相变存储材料的方法流程图；

图6是根据本发明的另一实施例绘出的一种修复相变存储器元件的存储单元中相变存储材料的方法流程图；以及

图7是根据本发明的一实施例所绘出的的相变存储器元件的操作方法。

【符号说明】

100：初始电阻状态 101：低电阻状态

102：高电阻状态 103：临界电阻值

200：存储单元 201：底电极

202：介电层 203：存储层

203a：主动区域 204：顶电极

301：初始电流-电阻特性函数

302：偏移电流-电阻特性函数

303：箭号 1010：相变存储器元件

1012：存储器阵列 1014：字符线译码器

1016：字符线 1018：位线译码器

1020：位线 1022：总线

1024：感应电路与数据输入结构

1026：数据总线 1028：数据输入线

1030：其它电路 1032：数据输出线

1034：控制器 1036：偏压电路

S51：提供一个相变存储器元件，使其包含至少一个具有相变存储材料的存储单元，且使相变存储材料具有偏移电流-电阻特性函数

S52：对相变存储材料进行烘烤工艺

S53：进行检测步骤，以确认偏移电流-电阻特性函数是否转换为初始电流-电阻特性函数

S54：决定是否对修复后的存储单元进行另一次重写入步骤

S55：将另一个应力电流施加于存储单元的相变存储材料上，使相变存储材料的初始电流-电阻特性函数再转换为偏移电流-电阻特性函数

S61：提供一个相变存储器元件，使其至少包含一个具有相变存储材料的存储单元，且此相变存储材料具有偏移电流-电阻特性函数

S62：对相变存储材料施加一回复电流

S63：进行检测步骤，以确认偏移电流-电阻特性函数是否转换为初始电流-电阻特性函数

S64：决定是否对修复后的存储单元进行另一次重写入步骤

S65：再将一应力电流施加于存储单元200的相变存储材料上，使相变存储材料的初始电流-电阻特性函数再转换为偏移电流-电阻特性函数

71：提供具有多个存储单元的相变存储器元件

72：使至少一个存储单元的相变存储材料具有偏移电流-电阻特性函数

73：设定具有偏移电流-电阻特性函数的存储单元为第一状态

74：对至少一个具有第一状态的存储单元施加一回复应力，使存储单元的该偏移电流-电阻特性函数转换为初始电流-电阻特性函数

705：将具有初始电流-电阻特性函数的存储单元设定为第二状态

706：通过第一状态及第二状态，在存储器胞元中读取数据

R1：低电阻状态的最高电阻

R2：高电阻状态的最低电阻

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供一种相变存储器元件的修复方法及其应用，可解决现有相变存储材料老化的问题。为了对本发明的上述实施例及其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举数立体存储器元件及其制作方法作为较佳实施例，并配合所附图式作详细说明。

但必须注意的是，这些特定的实施案例与方法，并非用以限定本发明。本发明仍可采用其他特征、元件、方法及参数来加以实施。较佳实施例的提出，仅是用于例示本发明的技术特征，并非用于限定本发明的保护范围。该技术领域中具有普通技术人员，将可根据以下说明书的描述，在不脱离本发明的精神范围内，作等同的修饰与变化。在不同实施例与附图之中，相同的元件，将以相同的附图标记加以表示。

请参照图2，图2是根据本发明的一实施例绘出的相变存储器元件的存储单元200的结构剖面示意图。在本发明的一些实施例之中，一个相变存储器元件可以包含覆数个(例如，上百万个)存储单元200。存储单元200包括一底电极201、一介电层202、一存储层203及一顶电极204。其中，底电极201延伸通过介电层202；存储层203包含相变材料；顶电极204位于存储层203之上。在本实施例之中，底电极201与存取装置(未绘出)的一终端耦接，而此顶电极204则可以与一位线耦接或可作为位线的一部分。

构成底电极201和顶电极204的材质可以包含，例如氮化钛(TiN)或氮化钽(TaN)。替代地也可以包含钨(W)、氮化钨(WN)、氮化钛铝(AlTiN)、或是氮化钽铝(AlTaN)，或是包含一个或多个元素掺质，此一或多个元素掺质选自于由硅(Si)、碳(C)、锗(Ge)、铬(Cr)、钛(Ti)、钨、钼(Mo)、铝(Al)、钽(Ta)、铜(Cu)、铂(Pt)、铱(Ir)、镧(La)、镍(Ni)、氮(N)、氧(O)、钌(Ru)以及其组合所构成的一族群。

构成存储层203的基本相变材料包括锗锑碲(Ge₂Sb₂Te₅)。在本发明的一些实施例中，可以在基本相变材料掺杂添加物，例如二氧化硅，而在沿着底电极201和顶电极204之间的电极间电流路径形成添加物浓度轮廓(additive concentration profile)，进而定义出一个由掺杂的相变材料所构成的主动区域203a。

在本发明的一些实施例之中，主动区域203a的相变材料具有初始的电子特性。例如，当对主动区域203a中的相变材料施加一组检测脉冲电流，可检测到流经主动区域203a的电流-电阻关系。请参照图3，图3是根据本发明的一实施例绘出的存储单元中相变材料的电流-电阻关系图。其中掺杂的相变材料的电流-电阻可以构成一函数图形，以下简称初始电流-电阻特性函数301。

请参照图4，图4是根据本发明的一实施例绘出的包括多个上述存储器胞200的相变存储器元件1010的简化电路方块图。在本发明的一些实施例中，相变存储器元件1010包括存储器阵列1012、字符线译码器1014、多条字符线1016、位线(行)译码器1018、多条位线1020、总线1022以及感应电路与数据输入结构1024。其中，字符线1016沿着存储器阵列1012中的列(rows)排列，字符线译码器1014经由字符线1016耦合至存储器阵列1012。位线1020沿着存储器阵列1012中的行(columns)排列，且位线(行)译码器1018经由位线1020与存储器阵列1012电性连接，以读取、设置和重置此阵列1012中的相变存储单元(未绘出)。地址经由总线1022被供应到字符线译码器1014以及位线译码器1018。感应电路与数据输入结构1024是通过数据总线1026耦接至位线译码器1018。从相变存储器元件1010的输入/输出埠、或从相变存储器元件1010内部或外部的其它电路1030所提供的数据，经由数据输入线1028被输入到感应电路与数据输入 结构1024之中。从感应电路与数据输入结构1024输出的数据，经由数据输出线1032被提供至相变存储器元件1010外部的其它数据目的地。控制器1034可通过使用一状态机来控制从偏压电路1036中电压和电流源所提供的应用电压和电流，以应用于相变存储器阵列的偏压配置。另外，其他电路1030，例如一般应用电路模块(general purpose processor application circuitry)、特定应用电路模块(special purpose application circuitry)或二者的组合，也可以包于相变存储器元件1010之中。

相变存储器元件的存储单元200在经历多次重置及/或设置操作后，相变存储材料会因为读取、重置及/或设置操作的次数或电流密度、或是因为相变存储材料所暴露的环境因素(例如温度或热应力)而产生电子特性的老化现象。而在本发明的一些实施例之中，电子特性的老化现象包括，初始电流-电阻特性函数301出现平移的现象。在本实施例中，初始电流-电阻特性函数301的平移现象可通过对存储单元200活动区域203a中的相变材料施加一组检测脉冲来进行量测。

例如，请再参照图3，当存储单元200的相变存储材料出现电子特性的老化现象时，相变材料的初始电流-电阻特性函数301会转变成偏移电流-电阻特性函数302。其中，偏移电流-电阻特性函数302实质为初始电流-电阻特性函数301的平移函数。换句话说，初始电流-电阻特性函数301和偏移电流-电阻特性函数302二者的函数图形实质不变，差别仅在于函数图形的坐标发生相对的改变，使偏移电流-电阻特性函数302的函数图形产生横向位移(如箭号303所示)。

为了改善存储单元200中相变存储材料的老化现象，本发明的一些实施例提供了下述相变存储器元件的修复方法。请参照图5，图5是根据本发明的一实施例绘出的一种相变存储器元件的修复方法的流程图。相变存储器元件的修复方法包括下述步骤：首先提供一相变存储器元件，使其包含至一个少具有相变存储材料的存储单元200，且此相变存储材料具有偏移电流-电阻特性函数302(如步骤S51所示)。

如前所述，提供具有偏移电流-电阻特性函数302的相变存储材料的存储单元200的步骤，包括进行设置(set)操作、重置(reset)操作或上述操作的任意组合，将一应力电流(stress current)施加于存储单元200的相变存储 材料上，使相变存储材料的初始电流-电阻特性函数301转换为偏移电流-电阻特性函数302。另外，操作环境对相变存储材料施加的其他电能、热应力、机械应力或上述的任意组合，也会使相变存储材料的初始电流-电阻特性函数301转换为偏移电流-电阻特性函数302。

接着，对相变存储材料施加一回复应力，使相变存储材料的偏移电流-电阻特性函数302转换为初始电流-电阻特性函数301。在本发明的一些实施例之中，对相变存储材料施加回复应力的步骤包括：对相变存储材料进行一烘烤工艺促使相变存储材料的偏移电流-电阻特性函数302转换为初始电流-电阻特性函数301(如步骤S52所示)。在本实施例中，烘烤工艺的烘烤温度，实质介于300℃至400℃之间；且烘烤时间实质介于1分钟(minute)至30分钟之间。

然后，进行检测步骤，以确认偏移电流-电阻特性函数302是否转换为初始电流-电阻特性函数301(如步骤S53所示)。若偏移电流-电阻特性函数302未转换为初始电流-电阻特性函数301，则返回步骤S52再对相变存储材料进行另一次烘烤工艺，或同时增加烘烤温度或烘烤时间。若偏移电流-电阻特性函数302已转换为初始电流-电阻特性函数301，则可决定是否再对修复后的存储单元200进行另一次重写入(rewriting)步骤(如步骤S54所示)。若要进行初始电流-电阻特性函数的重写入步骤，则可将另一个应力电流施加于存储单元200的相变存储材料上，使图3所示的相变存储材料的初始电流-电阻特性函数302再转换为偏移电流-电阻特性函数302(如步骤S55所示)。若不进行初始电流-电阻特性函数的重写入步骤，则完成相变存储材料的修复操作。

请参照图6，图6是根据本发明的另一实施例绘出的一种相变存储器元件的修复方法的流程图。相变存储器元件的修复方法包括下述步骤：首先提供一个相变存储器元件，使其至少具有一个包含存储材料的存储单元200，且此相变存储材料具有偏移电流-电阻特性函数302(如步骤S61所示)。

在本发明的一些实施例之中，提供具有偏移电流-电阻特性函数302的相变存储材料的存储单元200的步骤，包括对存储单元200进行设置操作、重置操作或上述操作的任意组合，将一应力电流施加于存储单元200的相变存储材料上，以使相变存储材料的初始电流-电阻特性函数301转换 为偏移电流-电阻特性函数302。其中，此应力电流具有一个上限值以及一个下限值。在本发明的一较佳实施例之中，应力电流的大小实质介于200微安培(μA)至500微安培之间。

接着，对相变存储材料施加一回复应力，使相变存储材料的偏移电流-电阻特性函数转换为初始电流-电阻特性函数。在本发明的一些实施例之中，对相变存储材料施加回复应力的步骤包括：对相变存储材料施加一回复电流，促使相变存储材料的偏移电流-电阻特性函数302转换为初始电流-电阻特性函数301(如步骤S62所示)。在本发明的一些实施例中，回复电流的大小实质介于1微安培至100微安培之间。在本实施例中，回复电流较佳介于前述应力电流的上限值的二分之一与应力电流的下限值的五分之一之间(即实质介于250微安培至40微安培之间)。

然后，进行检测步骤，以确认偏移电流-电阻特性函数是否转换为初始电流-电阻特性函数(如步骤S63所示)。若偏移电流-电阻特性函数302未转换为初始电流-电阻特性函数301，则返回步骤S62再对相变存储材料施加另一回复电流，或同时提高回复电流的电流密度。若偏移电流-电阻特性函数302已转换为初始电流-电阻特性函数301，则可决定是否再对修复后的存储单元200进行另一次重写入步骤(如步骤S64所示)。若要进行初始电流-电阻特性函数的重写入步骤，则可再将一应力电流施加于存储单元200的相变存储材料上，使图3所绘出的的相变存储材料的初始电流-电阻特性函数302再转换为偏移电流-电阻特性函数302(如步骤S65所绘出的)。若不进行初始电流-电阻特性函数的重写入步骤，则完成相变存储材料的修复操作。

由于，存储单元200的相变存储器材料电流-电阻的特性函数具有可由初始状态转换为偏离状态，再由初始状态转换为偏离状态的可回复特性。因此，可提供存储单元200另一种有别于图1所绘出的(通过高电阻状态102或低电阻状态100进行数据的写入、重写入与读取)的数据存取方式。

请参照图7，图7是根据本发明的一实施例所绘出的相变存储器元件的操作方法。其中相变存储器元件1010的操作包括下述步骤：首先，提供具有多个存储单元200的相变存储器元件(如步骤71所示)，其中每一个存储单元具有相变存储材料。接着，使至少一个存储单元200的相变存储 材料具有偏移电流-电阻特性函数302(如步骤702所示)，并设定具有偏移电流-电阻特性函数301的存储单元为第一状态(如步骤703所示)。然后，对至少一个具有第一状态的存储单元施加一回复应力，使存储单元200的该偏移电流-电阻特性函数302转换为初始电流-电阻特性函数301(如步骤74所示)；其中，偏移电流-电阻特性函数302实质为电流-电阻特性函数302的平移函数。并将具有初始电流-电阻特性函数301的存储单元200设定为第二状态(如步骤75所示)。再通过第一状态及第二状态，在这些存储器胞元200中读取数据(如步骤76所示)。由于，存储单元200的电流-电阻特性函数的设定与转换已详述于前述实施例中，故不在此赘述。

在本实施例之中，可将受到电能、热应力、机械应力或上述的任意组合影响，而具有偏移电流-电阻特性函数302的存储单元200设定为第一状态；并将未受电能、热应力、机械应力或上述的任意组合影响，或经过前述相变存储材料修复方法处理后具有初始电流-电阻特性函数的存储单元200设定为第二状态。使图4所示的相变存储器元件1010可通过第一状态及第二状态，来对存储器阵列1012中的这些存储单元200进行数据读取。

另外值得注意的是，在本发明的另外一些实施例中，相变存储器元件1010的操作方法还包括，对至少一个具有第二状态的存储单元200进行一重写入步骤(如步骤77所示)，将具有第二状态的存储单元200的初始电流-电阻特性函数302转换为一重写入电流-电阻特性函数(未绘出)，并将具有重写入电流-电阻特性函数的存储单元200设定为一第三状态(如步骤78所示)，以提供相变存储器元件1010进行读取。其中重写入电流-电阻特性函数实质上也为初始电流-电阻特性函数301的平移函数。例如，重写入电流-电阻特性函数可以是图3所示的多条偏移电流-电阻特性函数302其中之一者。

根据上述实施例，本发明是在提供一种相变存储器元件的修复方法，通过对存储单元的相变存储材料施加回复应力，使(因为重置及/或设置操作的次数、在阵列中的结构、材料的变动、工艺条件或所暴露的环境温度因素)老化的相变存储器材料特性，例如相变存储器材料的电流-电阻特性函数，由偏移的状态回复到一开始的初始状态。以解决现有技术因存储单 元的相变存储材料老化所导致的操作电流增加，甚至产生瑕疵存储单元的问题。

另外，利用相变存储器材料的偏移电流-电阻特性函数和初始电流-电阻特性函数二者之间的可回复性，来提供存储单元另一种数据存取的方式。以在不改变相变存储器元件的结构，大幅提升数据的存储密度。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。