CN103714852B - 一种精确控制微纳尺寸相变材料非晶化率连续变化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过施加低电平脉冲实现微纳尺寸GST相变材料非晶化率连续变化的控制方法，包括控制非晶化率连续单调增大和连续单调减小的操作，通过利用两个或两个以上的连续脉冲的幅值、宽度和间隔等三个参量综合自适应变化精确控制焦耳热产生，继而实现GST相变材料晶化率的连续变化，具体包括步骤：对相变存储单元施加具有一定参量的两个或两个以上的连续脉冲；在连续脉冲的作用下，相变材料获得一定的热量，使部分相变材料发生晶化或者非晶化；对上述连续脉冲的幅值、宽度和间隔进行调节，实现连续单调变化的非晶化率。本发明能够提高对相变材料非晶化率控制的稳定性。

Description

一种精确控制微纳尺寸相变材料非晶化率连续变化的方法

技术领域

本发明属于微电子学领域，具体涉及到一种应用在微纳尺寸相变材料非晶化率和晶化率的精确自适应控制方法。

背景技术

1968年，S.R.Ovshinsky首次发现硫属化合物在电场作用下可以发生不同电阻态之间的可逆转变现象。然而硫属化合物真正被应用到电学存储器中也只是最近十几年的事情，这都归功于微电子行业这些年的发展，为相变存储器（Phase change memory,PCM）的实现提供了技术前提，因为只有在微米甚至纳米尺度的情况下，硫属化合物材料相变所需要的功耗才能大大降低。

相变材料在晶态和非晶态时电阻率相差很大：相变材料处于晶态时，原子排列规律，长程有序，呈现低的电阻率；相变材料处于非晶态时，原子排列不规律，短程有序，呈现高的电阻率。相变材料的电阻率与材料的非晶化程度密切相关，通常，通过控制相变材料的非晶化率来实现不同的电阻率，进而用于相变存储领域。

目前，主要通过控制对相变材料施加的脉冲来精确控制相变材料的温度，进而实现对相变材料非晶化率的精确控制。常见的方法有以下几种：调节单个脉冲的下降沿时间控制非晶化率；调节脉冲宽度控制非晶化率。通过调节脉冲幅值和下降沿时间以及脉冲宽度控制非晶化率均可控制非晶化率，但是所采用脉冲的幅值均偏高，稳定性不够。同时，采用上述方法所实现对非晶化率的调节是分立的，而不是线性的。另外，实现低功耗的电子产品也是今后研究的方向。因此，急需一种低电压控制相变存储器非晶化率且能够连续变化的方法。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷，为了实现通过低电平控制相变材料的非晶化率连续变化，本发明的目的在于提供一种控制非晶化率的新方法，该方法能够有效控制相变存储器GST的非晶化率，实现相变存储单元非晶化率的连续变化。

一种精确控制微纳尺寸相变材料非晶化率连续变化的方法，其利用两个或两个以上的连续脉冲的三个参量综合自适应变化精确控制焦耳热产生，继而实现GST相变材料晶化率的连续变化，所述三个参量为幅值、宽度和间隔，具体包括以下步骤：

对相变存储单元施加具有一定参量的两个或两个以上的连续脉冲；

在连续脉冲的作用下，相变材料获得一定的热量，使部分相变材料发生晶化或者非晶化；

对上述连续脉冲的幅值、宽度和间隔进行调节，实现连续单调变化的非晶化率。

其中，所述方法包括控制非晶化率连续单调增大的方法和连续单调减小的方法。

其中所述单调增大的方法包括晶化控制方法和非晶化控制方法，其特征在于：

首先对微纳尺寸相变材料进行完全晶化操作，对微纳尺寸相变材料通过两个电极施加一个电脉冲或多个电脉冲，所述电脉冲为电压脉冲，该脉冲将微纳尺寸相变材料变成完全晶态；

然后再通过对微纳尺寸相变材料施加两个或两个以上的连续电压脉冲进行非晶化控制操作，采用脉冲序列三个基本参量的控制可获得预期的微纳尺寸相变材料任意晶化率。

其中包括通过逐渐增大非晶化控制脉冲序列中两个或两个以上脉冲的幅值、脉宽或者减小脉冲间隔的方法。

其中所述单调减小的方法包括非晶化操作和晶化操作，包括：

首先对微纳尺寸相变材料进行完全非晶化操作，对微纳尺寸相变材料通过两个电极施加一个电脉冲或多个电脉冲，所述电脉冲为电压脉冲，该脉冲将微纳尺寸相变材料变成完全非晶态；

再通过对微纳尺寸相变材料施加两个或两个以上的连续电压脉冲进行晶化控制，采用脉冲序列三个基本参量的控制可获得预期的微纳尺寸相变材料任意非晶化率。

其中，包括通过逐渐增大晶化控制脉冲序列中两个或者两个以上脉冲的幅值、脉宽或者减小脉冲间隔的方法。

其中，所述脉冲间隔的范围为10ns到50ns之间。

其中，所实现的非晶化率的变化范围为0～1。

本发明中，关键在于能够通过施加低电平脉冲，实现相变材料非晶化率的连续变化。

本发明的有益效果如下：通过提出一种精确控制微纳相变材料非晶化率连续变化的方法，对相变材料施加两个或者两个以上的脉冲序列，通过精确调节脉冲序列的幅值、脉宽或者脉冲间隔来实现非晶化率的连续变化，能有效地降低操作电平，并实现非晶化率连续变化；并且，能够对相变材料非晶化率控制的稳定性。因此，本发明除了拥有PCM的常规优点，还解决了其操作电平高的问题，降低了操作电平，可以运用于相变存储器的多值存储方面。

附图说明

图1是根据本发明实施例的相变存储单元的结构图；

图2是根据本发明实施例的相变存储单元的热模型图；

图3是按照本发明实施例中控制相变存储单元非晶化率连续减小的写脉冲的示意图；

图4是按照本发明实施例中控制相变存储单元非晶化率连续减小的擦脉冲的示意图；

图5是按照本发明实施例的相变存储单元在不同脉冲间隔写脉冲作用后的晶态阻值与擦脉冲操作后非晶态阻值的对比图；

图6是按照本发明实施例中控制相变存储单元非晶化率连续单调增大的擦脉冲的示意图；

图7是按照本发明实施例中控制相变存储单元非晶化率连续单调增大的写脉冲的示意图；

图8（a）为采用相同间隔，相同脉宽，不同幅值的双脉冲对单元进行操作来控制相变存储单元的非晶化程度的示意图；

图8（b）为采用相同幅值，相同间隔，不同脉宽的双脉冲对单元进行操作来控制相变存储单元的非晶化程度的示意图；

图8（c）为采用不同间隔的双脉冲对单元进行操作来控制相变存储单元的非晶化程度的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的一种精确控制微纳尺寸相变材料非晶化率连续变化的方法，包括以下步骤：

对相变存储单元施加具有一定参量（幅值、脉宽、脉冲间隔）的两个或两个以上的连续脉冲；

在连续脉冲的作用下，相变材料获得一定的热量，使部分相变材料发生晶化或者非晶化；

对上述连续脉冲的幅值、宽度和间隔进行调节，以实现连续变化的非晶化率。

所述的相变存储材料非晶化率的连续变化包括连续单调增大和连续单调减小两种控制效果。通过连续增大非晶化控制脉冲序列的幅值、宽度以及减小脉冲间隔，以控制非晶化率连续增大；通过连续增大晶化控制脉冲序列的幅值、宽度以及减小脉冲间隔，以控制非晶化率连续减小。

所选脉冲的参数根据相变存储单元特性的不同而不同，其中，对于连续脉冲幅值和宽度的选择一般是低于单脉冲操作的脉冲幅值和宽度，脉冲间隔的优选范围为10ns到50ns之间。

图1为根据本发明实施例的相变存储器器件单元的电路图。如图1所示，每个相变存储器器件单元10是由相变存储单元11和选择晶体管12组成，构成1T1R结构。相变存储单元11的一端连接位线BL，另一端通过选择晶体管12连接地。选择晶体管12的栅极连接到字线WL，通过控制字线WL上的电压控制选择晶体管12的通断，使位线BL上的电信号能够通过相变存储单元11。

在相变存储单元字线WL选通时，相变存储单元11根据加在位线BL上的电信号在晶态与非晶态之间转换。在非晶化过程中，所加的电信号不同，相变存储单元11的非晶化率也不同。

图2为根据本发明实施例的相变存储单元的截面示意图。如图2所示，相变存储单元包括上电极21、下电极24、相变材料层22和绝缘层23。其中上电极21和下电极24由导电材料构成，可以是金属铝电极等。相变材料层22由硫属化物组成，可以是GST材料，如Ge2Sb2Te5。相变材料层22在电信号的作用下在晶态与非晶态之间转换，根据晶态、非晶状态不同表现出不同阻值。

下面将参照图3、图4来具体描述控制本发明的相变存储单元11非晶化率连续单调增大的操作过程。在操作过程中，相变存储单元11的下电极24通过选择晶体管12接地，上电极21与信号源相连接。从信号源施加的电信号通过相变存储单元11产生焦耳热，将相变存储单元11改变成具有对应不同非晶化率的电阻态。

初始状态下，使用如图3中的晶化脉冲将相变存储单元11完全晶化，相变材料层22为完全晶态，相变存储单元11表现为低阻。如图3所示，晶化脉冲为一幅度较小，脉宽较大的脉冲，本实施例中写脉冲幅度为0.8V，宽度为300ns。在晶化脉冲作用后，相变存储单元11表现为低阻态（晶态），本实施例中为10千欧左右。

接着，通过对相变存储单元11施加如图4中的非晶化控制脉冲序列，对相变材料非晶化。如图4所示，本实施例中，非晶化控制脉冲序列由先后两个相同的电脉冲组成，脉冲幅度比晶化脉冲幅度高且脉冲宽度较小，两个电脉冲存在一定脉冲间隔，通过调节脉冲间隔，将相变存储单元11改变至不同的非晶态。本实施例中写脉冲幅度为1.27V，宽度为40ns，脉冲间隔调节范围为80ns～10ns。

每次操作时先给相变存储单元11进行一次晶化操作，然后选择一定脉冲间隔对相变存储单元11进行一次非晶化操作。在不同脉冲间隔下对相变存储单元11进行上述操作，所得到的相变存储单元11的非晶态的阻值有较大差异。图5展示了使用如图4中所示的非晶化控制脉冲序列对相变存储单元11进行操作时脉冲间隔对相变材料非晶化率的调节效应，此处用相应的单元电阻变化来表征非晶化率的变化。通过减小脉冲间隔，或增大幅值和脉宽可使相变存储单元11达到多种非晶态，以此实现相变存储单元非晶化率的连续增大控制。

下面将参照图6、图7来具体描述控制本发明的相变材料非晶化率连续单调减小的操作过程。在操作过程中，对相变材料施加脉冲的电路与上述相同。

初始状态下，使用如图6中的非晶化脉冲将相变存储单元11非晶化，相变材料层22为完全非晶态，相变存储单元11表现为高阻。如图6所示，非晶化脉冲为一幅度较大，脉宽较小的脉冲，本实施例中非晶化脉冲幅度为3V，宽度为40ns。在非晶化脉冲作用后，相变存储单元11表现为高阻态（非晶态），本实施例中为1.6兆欧左右。

接着，通过对相变存储单元11施加如图7中的晶化脉冲序列，将相变存储单元11逐渐晶化。如图7所示，晶化脉冲序列由先后两个相同的电脉冲组成，脉冲幅度比非晶化脉冲幅度低且脉冲宽度较大，两个电脉冲存在一定脉冲间隔，通过调节脉冲间隔，将相变存储单元11改变至不同的非晶态。

每次操作时先给相变存储单元11进行一次非晶化操作，然后选择一定脉冲间隔对相变存储单元11进行一次晶化操作。在不同脉冲间隔下对相变存储单元11进行上述操作，所得到的相变存储单元11的非晶态的阻值有较大差异。通过连续减小脉冲间隔，或增大幅值和脉宽使相变存储单元11达到多种非晶态，以此实现相变存储单元非晶化率的连续减小控制。

图8为按照本发明的非晶化率控制方法模拟得到的相变存储单元非晶化率变化曲线示意图。图8（a）中为采用相同间隔，相同脉宽，不同幅值的双脉冲对单元进行操作来控制相变存储单元的非晶化程度。图8（b）中为采用相同幅值，相同间隔，不同脉宽的双脉冲对单元进行操作来控制相变存储单元的非晶化程度。图8（c）中为采用不同间隔的双脉冲对单元进行操作来控制相变存储单元的非晶化程度。实际操作中，也可以采取以上几种调节方式的混合调节方法来对相变存储单元的非晶化程度进行控制。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种精确控制微纳尺寸相变材料非晶化率连续变化的方法，其利用两个以上的连续脉冲序列的三个参量综合自适应变化精确控制焦耳热产生，继而实现锗锑蹄相变材料非晶化率的连续变化，包括控制非晶化率连续单调增大和连续单调减小，所述三个参量为幅值、宽度和间隔，具体包括以下步骤：

对相变存储单元施加具有一定参量的两个以上的连续脉冲序列，其中每个脉冲序列中包含先后两个相同的脉冲；

在连续脉冲序列的作用下，相变材料获得一定的热量，使部分相变材料发生晶化或者非晶化；

对上述连续脉冲序列的幅值、宽度和间隔进行调节，实现连续单调变化的非晶化率；

其中，所述单调增大包括晶化控制操作和非晶化控制操作，具体为：首先对微纳尺寸相变材料进行完全晶化操作，对微纳尺寸相变材料通过两个电极施加一个电脉冲或多个电脉冲，所述电脉冲为电压脉冲，该电压脉冲将微纳尺寸相变材料变成完全晶态；然后再通过对微纳尺寸相变材料施加两个以上的连续电压脉冲序列进行非晶化控制操作，采用脉冲序列三个参量的控制可获得预期的微纳尺寸相变材料任意非晶化率；

所述单调减小包括非晶化操作和晶化操作，包括：首先对微纳尺寸相变材料进行完全非晶化操作，对微纳尺寸相变材料通过两个电极施加一个电脉冲或多个电脉冲，所述电脉冲为电压脉冲，该脉冲将微纳尺寸相变材料变成完全非晶态；再通过对微纳尺寸相变材料施加两个以上的连续电压脉冲序列进行晶化控制，采用脉冲序列三个参量的控制可获得预期的微纳尺寸相变材料任意非晶化率。

2.如权利要求1所述精确控制微纳尺寸相变材料非晶化率连续变化的方法，其中包括逐渐增大非晶化控制脉冲序列中先后两个相同的脉冲的幅值、脉宽或者减小脉冲间隔的操作。

3.根据权利要求1所述的控制微纳尺寸相变材料非晶化率连续变化的方法，其中包括逐渐增大晶化控制脉冲序列中先后两个相同的脉冲的幅值、脉宽或者减小脉冲间隔的操作。

4.如权利要求2或3中所述的方法，其中，所述脉冲间隔的范围为10ns到50ns之间。

5.如权利要求2或3中所述的方法，其中，所实现的非晶化率的变化范围为0-1。