DE60318692T2

DE60318692T2 - Verfahren zum Einstellen einer Speichervorrichtung einer Speicherzelle

Info

Publication number: DE60318692T2
Application number: DE60318692T
Authority: DE
Inventors: Yi-Chou Chen; Chih-Yuan Lu
Original assignee: Macronix International Co Ltd
Current assignee: Macronix International Co Ltd
Priority date: 2003-06-18
Filing date: 2003-11-19
Publication date: 2009-01-22
Anticipated expiration: 2023-11-20
Also published as: CN100505362C; DE60318692D1; JP2005012183A; CN1574409A; TW594940B; EP1489670B1; JP5188671B2; US20040257848A1; EP1489670A1

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Speichervorrichtungen und insbesondere auf ein Verfahren zum Einstellen einer Schwellwertspannung einer Speicherzelle. Chalkogenidspeicherzellen sind nicht-flüchtig und können Phasen bzw. Zustände relativ schnell wechseln. Demnach haben derartige Speicherzellen ein großes Potential die nächste Generation von Speicherzellen darzustellen. Bis jetzt wurde die Entwicklungsarbeit bezüglich Chalkogenidspeicherzellen auf die Fähigkeit von Chalkogenidmaterialien fokussiert, zwischen einer amorphen Phase und einer kristallinen Phase überzugehen. Insbesondere wurde für Speicher/Festkörpervorrichtungsanwendungen die Entwicklungsarbeit auf den Widerstand von Chalkogenidmaterialien fokussiert, und Entwicklungsarbeit für optische Anwendungen wurde auf die n und k Übergänge der Chalkogenidmaterialien fokussiert. Zum Beispiel zeigen 7 und 8 im US Patent Nr.: 3 530 441 , dass der Widerstand eines Chalkogenidmaterials durch Anlegen von Energie bzw. Strom an das Material verändert werden kann. Gegenwärtig schätzen die Fachleute die Schwellwertspannung V_th von Chalkogenidmaterialien als ein „chaotisches" Merkmal ein und folglich haben sie ihre Entwicklungsarbeit nicht auf dieses Merkmal für Speicher/Festkörpervorrichtungsanwendungen oder optische Anwendungen fokussiert.
US 4 199 692 offenbart eine amorphe Speicherzelle, die betrieben wird, um einen ersten logischen Zustand aufzuweisen, der durch einen hohen Widerstandszustand repräsentiert ist, im Wesentlichen keine Kristallstruktur und ein erstes Schwellwertniveau hat und einen zweiten logischen Zustand, der durch einen hohen Widerstandszustand repräsentiert ist, mikrokristalline Struktur und ein Schwellwertniveau hat, das unterhalb des ersten Schwellwertniveaus ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Allgemein gesagt ermöglicht es die vorliegende Erfindung der Schwellwertspannung V_th einer Speicherzelle ebenso der V_th eines Chalkogenidmaterials verstellt oder eingestellt zu werden.
Gemäß eines Aspekts der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Einstellen einer Schwellwertspannung eines Chalkogenidschicht bereitgestellt. In diesem Verfahren wird Energie in Form eines Impulses an eine Schicht angelegt, die ein Material aufweist, das die Schwellwertspannung ändert. Die Schicht kann in einer Speicherzelle eingeschlossen sein.
In einer Ausführungsform beinhaltet das Anlegen der Energie ein Anlegen eines elektrischen Impulses bzw. Pulses an die Schicht. In einer Ausführungsform ist der elektrische Impuls ein Spannungsimpuls und der Spannungsimpuls hat eine vorher festgelegte Höhe, ein vorher festgelegtes Profil und ist für eine vorher festgelegte Zeitspanne angelegt. In einer Ausführungsform ist der elektrische Impuls ein Stromimpuls, und der Stromimpuls hat eine vorher festgelegte Höhe, ein vorher festgelegtes Profil und ist für eine vorher festgelegte Zeitspanne angelegt.
In einer Ausführungsform beinhaltet das Anlegen von Energie ein Anlegen eines Lichtimpulses an die Schicht. In einer Ausführungsform ist der Lichtimpuls ein Laserimpuls, und der Laserimpuls hat eine vorher festgelegte Höhe, ein vorher festgelegtes Profil und ist für eine vorher festgelegte Zeitspanne angelegt.
In einer Ausführungsform beinhaltet das Anlegen von Energie ein Anlegen eines Wärmeimpulses an die Schicht. In einer Ausführungsform hat der Wärmeimpuls eine vorher festgelegte Höhe, ein vorher festgelegtes Profil und ist für eine vorher festgelegte Zeitspanne angelegt. In einer Ausführungsform beinhaltet das Anlegen von Energie ein Anlegen eines Mikrowellenenergieimpulses an die Schicht. In einer Ausführungsform hat der Mikrowellenenergieimpuls eine vorher festgelegte Höhe, ein vorher festgelegtes Profil und ist für eine vorher festgelegte Zeitspanne angelegt.
Es wird für Fachleute offensichtlich sein, dass das Verfahren zum Einstellen von V_th der vorliegenden Erfindung in einer Vielzahl von Speicher/Festkörpervorrichtungsanwendungen angewendet werden kann. Einer der bedeutenden Vorteile des Verfahrens der vorliegenden Erfindung ist die Geschwindigkeit, mit der V_th eingestellt werden kann. Nach Anlegen des Energieimpulses ist die Abklingzeit [quenching time] normalerweise kürzer als ca. 50 Nanosekunden (ns). Im Gegensatz dazu benötigt man normalerweise mindestens 100 ns um die Phase des Chalkogenidmaterials zu wechseln.
Es ist zu beachten, dass die vorhergehende allgemeine Beschreibung und die folgende detaillierte Beschreibung beispielhaft und nur erklärend sind und die beanspruchte Erfindung nicht beschränken.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die begleitenden Zeichnungen, die in dieser Beschreibung eingeschlossen sind und einen Teil von ihr bilden, veranschaulichen beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung und dienen dazu zusammen mit der Beschreibung, die Prinzipien der Erfindung zu erklären.
1 ist eine I-V-Linie einer Chalkogenidspeicherzelle.
2 ist ein Graph von V_th gegen Impulsspannung bei verschiedenen Impulsbreiten.
3 ist eine schematische Darstellung, die das Anlegen von elektrischen Impulsen an eine Chalkogenidspeicherzelle veranschaulicht.
4 veranschaulicht eine beispielhafte Zeitspanne (oder Profil) für einen Energieimpuls.
5 ist eine schematische Darstellung, die das Anlegen von Lichtimpulsen an eine Chalkogenidspeicherzelle veranschaulicht.
6 ist eine schematische Darstellung, die das Anlegen von Wärmeimpulsen an eine Chalkogenidspeicherzelle veranschaulicht.
7 ist eine Querschnittsansicht einer Speicherzellenstruktur, in der das Verfahren des Einstellens von V_th eines Materials, das in der Lage ist V_th zu ändern, implementiert werden kann.
Detaillierte Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen
Mehrere beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden jetzt detailliert mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Schwellwertspannung V_th eines Materials, das in der Lage ist V_th zu ändern, durch Anlegen von Energie an das Material eingestellt. Materialien, die in der Lage sind V_th zu ändern, beinhalten Chalkogenidematerialien, insbesondere amorphe Chalkogenidematerialien. Wie hier verwendet, bezieht sich der Ausdruck „Chalkogenidematerial" auf eine Legierung, die mindestens ein Element der Gruppe 16 (nach alter Benennung: Gruppe VI)-Elemente des Periodensystems beinhaltet, d. h. O, S, Se, Te und Po. Beispielhafte Chalkogenidematerialien sind im US Patent der Nummer 5 177 567 und der Patentliste, die durch Referenz in dem '567-Patent eingeschlossen ist, offenbart. Diese Liste beinhaltet die US Patente der Nummern 3 271 591 , 3 343 034 , 3 571 669 , 3 571 670 , 3 571 671 , 3 571 672 , 3 588 638 , 3 611 063 , 3 619 732 , 3 656 032 , 3 846 767 , 3 875 566 , 3 886 577 und 3 980 505 .
1 ist eine I-V-Linie einer Chalkogenidspeicherzelle. Wie in 1 gezeigt ist, tritt V_th bei einem Wert von 1 Volt (V) (normalisiert) auf. Daher ist der Strom sehr gering, wenn eine Spannung unter V_th an die Zelle angelegt ist. Andererseits wenn eine Spannung über V_th an die Zelle angelegt wird, springt der Strom auf ein erheblich höheres Niveau. Wie in 1 gezeigt ist, ist der Stromunterschied für Spannungen oberhalb und unterhalb von V_th leicht unterscheidbar. Wie nachstehend detaillierter erklärt wird, kann V_th entweder höher oder niedriger durch Anlegen von Energie an die Chalkogenidschicht eingestellt werden (wie durch den Doppelpfeil in 1 angezeigt ist).
2 ist ein Graph von V_th gegen Impulsspannung bei verschiedenen Impulsbreiten. Die Impulsbreite bzw. Pulsbreite der Linie 100 (die obere Linie) war t, wohingegen die Impulsbreite der Linie 102 (die untere Linie) 2t war. Die Linien 100 und 102 zeigen, dass V_th einer Chalkogenidspeicherzelle durch Anlegen eines bestimmten Spannungsimpulses (oder Stromimpulses) mit einer bestimmter Impulsbreite (oder Profil) in der Zelle eingestellt werden kann.
Die Energie kann an das Material angelegt werden, das in der Lagei ist, V_th zu verändern, z. B. eine Chalkogenidschicht in einer Speicherzelle, in jeder geeigneten Form. Zum Beispiel kann die Energie in Form von elektrischen Impulsen, Lichtimpulsen, Mikrowellenenergieimpulsen, oder Wärmemimpulsen angelegt werden. 3 ist eine schematische Darstellung, die das Anlegen von elektrischen Impulsen an eine Chalkogenidspeicherzelle veranschaulicht. Wie in 3 gezeigt ist, wird eine Spannungs/Stromquelle 120 mit der oberen Elektrode 122 der Chalkogenidspeicherzelle verbunden, die auch eine Chalkogenidschicht 124 und eine untere Elektrode 126 beinhaltet. Wenn ein Spannungsimpuls (oder Stromimpuls) an die Zelle angelegt wird, erlebt der Teil der Chalkogenidschicht 124, der mit dem Pfeil mit der Bezeichnung R markiert ist, eine Veränderung in V_th. Eine beispielhafte Dauer (oder Profil) für einen Spannungsimpuls (oder Stromimpuls) ist in 4 gezeigt.
5 ist eine schematische Darstellung, die das Anlegen von Lichtimpulsen an eine Chalkogenidspeicherzelle veranschaulicht. Wie in 5 gezeigt ist, leitet die Lichtquelle 130 Lichtimpulse in bzw. auf die Speicherzelle. In einer Ausführungsform sind die Lichtimpulse Laserimpulse. Wenn ein Lichtimpuls, z. B. ein Laserimpuls an die Zelle angelegt wird, erlebt der Teil der Chalkogenidschicht 124, der mit dem Pfeil mit der Bezeichnung R markiert ist, eine Veränderung in V_th. Zum Beispiel können die Lichtimpulse die Dauer (oder das Profil) haben, die in 4 gezeigt ist. Fachleute werden verstehen, dass die obere Elektrode von 5 weggelassen wurde und dass die obere Elektrode oberhalb der Schicht 124 an einem Platz bereitgestellt werden kann, der in einiger Entfernung von dem Bereich liegt, an dem der Lichtimpuls angelegt wird.
6 ist eine schematische Darstellung, die das Anlegen von Wärmeimpulsen an eine Chalkogenidspeicherzelle veranschaulicht. Wie in 6 gezeigt ist, emittiert eine Wärmequelle 140 Wärmeimpulse in bzw. auf die Zelle. In einer Ausführungsform ist die Wärmequelle 140 ein geheiztes Objekt. In einer anderen Ausführungsform ist die Wärmequelle 140 ein Mikrowellenerzeuger. Wenn ein Wärmeimpuls von einem geheizten Objekt oder ein Mikrowellenenergieimpuls an die Zelle angelegt wird, erlebt der Teil der Chalkogenidschicht 124, der mit dem Pfeil mit der Bezeichnung R markiert ist, eine Veränderung in V_th. Zum Beispiel können die Wärmeimpulse die Dauer (oder das Profil) haben, die in 4 gezeigt ist. Fachleute werden verstehen, dass die obere Elektrode von 6 weggelassen wurde und dass die obere Elektrode oberhalb der Schicht 124 an einem Platz bereitgestellt werden kann, der in einiger Entfernung von dem Bereich liegt, an dem der Wärmeimpuls angelegt wird.
7 ist eine Querschnittsansicht einer Speicherzellenstruktur, in der das Verfahren des Einstellens von V_th eines Materials, das in der Lage ist V_th zu ändern, implementiert werden kann. Wie in 7 gezeigt ist, beinhaltet die Speicherzellenstruktur eine obere Elektrode 122, eine Schicht 128 aus einem Material, das in der Lage ist, V_th zu verändern und eine untere Elektrode 126. Die obere Elektrode 126 und die untere Elektrode 128 können aus jedem geeigneten leitfähigem Material, z. B. einem Metall, einem Metalloid, einem Halbleiter, z. B. Silizium, einem Element, einem Gemisch, einer Legierung oder einem Verbundstoff sein.
Die Schicht 128 ist aus einem Chalkogenidmaterial gebildet. In einem Speicherzellenarray sind elektrische Verbindungen A und B zur oberen Elektrode 122 bzw. unteren Elektrode 126 bereitgestellt. Beispielsweise kann die Verbindung A zu einer Bit-Leitung und Verbindung B zu einer Wortleitung erfolgen. Sobald V_th. der Schicht 128 von der angelegten Energie gemäß des Verfahrens eingestellt wurde, das hierin beschrieben ist, kann der Zustand der Speicherzellenstruktur durch Überprüfen des Stroms der durch die Zelle fließt, bestimmt werden.
Es wird für Fachleute offensichtlich sein, dass das Verfahren zum Einstellen von V_th der vorliegenden Erfindung in einer Vielzahl von Speicher/Festkörpervorrichtungsanwendungen angewendet werden kann. Einer der bedeutenden Vorteile des Verfahrens der vorliegenden Erfindung ist die Geschwindigkeit, mit der V_th eingestellt werden kann. Nach Anlegen des Energieimpulses ist die Abklingzeit [quenching time] normalerweise kürzer als ca. 50 Nanosekunden (ns). Im Gegensatz dazu benötigt man normalerweise mindestens 100 ns um die Phase des Chalkogenidmaterials zu wechseln.
Zusammenfassend stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Einstellen von V_th. einer Speicherzelle und ein Verfahren zum Einstellen von V_th eines Chalkogenidmaterials bereit. Die Erfindung wurde hierin bezüglich mehrerer beispielhafter Ausführungsformen beschrieben.

Claims

Verfahren zum Einstellen einer Schwellwertspannung einer Chalkogenidschicht umfassend: Zuführen einer Energie in Form eines Impulses mit konstanter Impulsbreite über ein vorher festgelegtes Intervall in die Chalkogenidschicht, so dass die eingestellte Spannung der Chalkogenidschicht zunimmt, wenn ein Betrag der zugeführten Impulshöhe zunimmt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Chalkogenidschicht in einer Speicherzelle enthalten ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Zuführen von Energie umfasst: Zuführen eines elektrischen Impulses in die Schicht.
Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei der elektrische Impulse ein Spannungsimpuls ist.
Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei der Spannungsimpuls einen vorher festgelegten Betrag aufweist, ein vorher festgelegtes Profil aufweist und für eine vorher festgelegte Dauer zugeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei der elektrische Impuls ein Stromimpuls ist.
Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei der Stromimpuls einen vorher festgelegten Betrag aufweist, ein vorher festgelegtes Profil aufweist und für eine vorher festgelegte Dauer zugeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Zuführen von Energie umfasst: Zuführen eines Lichtimpulses in die Schicht.
Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei der Lichtimpuls ein Laserimpuls ist.
Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei der Laserimpuls einen vorher festgelegten Betrag aufweist, ein vorher festgelegtes Profil aufweist und für eine vorher festgelegte Dauer zugeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Zuführen von Energie umfasst: Zuführen eines Hitzeimpulses in die Schicht.
Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei der Hitzeimpuls einen vorher festgelegten Betrag aufweist, ein vorher festgelegtes Profil aufweist und für eine vorher festgelegte Dauer zugeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Zuführen von Energie umfasst: Zuführen eines Impulses von Mikrowellenenergie in die Schicht.
Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei der Impuls von Mikrowellenenergie einen vorher festgelegten Betrag aufweist, ein vorher festgelegtes Profil aufweist und für eine vorher festgelegte Dauer zugeführt wird.