JP2007323800A - Method for reducing reset current for resetting a portion of phase transition material in memory cell of phase transition memory device, and phase transition memory device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、相変化メモリ装置のメモリセル内における相変化物質の一部をリセットするためのリセット電流を低減する方法及び相変化メモリ装置(METHOD FOR REDUCING A RESET CURRENT FOR RESETTING A PORTION OF A PHASE CHANGE MATERIAL IN A MEMORY CELL OF A PHASE CHANGE MEMORY DEVICE AND THE PHASE CHANGE MEMORY DEVICE)に関するものである。 The present invention relates to a method for reducing a reset current for resetting a part of a phase change material in a memory cell of a phase change memory device, and a phase change memory device. MATERIAL IN A MEMORY CELL OF A PHASE CHANGE MEMORY DEVICE AND THE THE PHASE CHANGE MEMORY DEVICE).
図1は、従来技術の相変化メモリセルの構造を示す図である。図示のように、下部絶縁層102が基板100上に形成される。第1コンタクトホール105は下部絶縁層102内に形成され、下部電極113(ヒーターの場合もある)は第1コンタクトホール105内に形成される。通常、下部電極113はTiAlN、TiNなどからなる。相変化物質115は下部電極113上の下部絶縁層102上に形成される。通常、相変化物質はGe2Sb2Te5などのようなカルコゲン化物である。上部電極119が相変化物質115上に形成される。上部電極119はTiN、TaN、WNなどから形成することができる。上部絶縁層122が基板100上に形成される。第2コンタクトホール125は上部絶縁層122内に形成されて上部電極119の一部を露出する。伝導性プラグ127は第2コンタクトホール125内に形成される。伝導性プラグ127はW、Al、Cuなどから形成することができる。金属パターン129(例えば、伝導性ライン)はその後プラグ127と接触する上部絶縁層122上に形成することができる。金属パターンはプラグ127と同じ物質で形成することができる。通常、金属パターン129は図1の相変化メモリセルを有する相変化メモリ装置のビットラインである。
FIG. 1 is a diagram illustrating a structure of a conventional phase change memory cell. As illustrated, a lower insulating layer 102 is formed on the
図1のメモリセルは相変化物質115に対して熱を加えることによってプログラミング可能となる。熱の印加は電流を相変化物質115(例えば、電流を上部電極119に印加することによって)を通過させることによって実行することができる。図2Aは、電流リセットパルスと相変化物質115をプログラミングするための電流セットパルスを示す図である。図2Aに示すように、リセットパルスが短時間供給される高電流である一方、セットパルスは長時間供給される低電流である。図2Bに示すように、リセットパルスは相変化物質115の抵抗を増加させる効果を有する一方、セットパルスは相変化物質115の抵抗を低減する効果を有する。抵抗の変化は、おおよそ相変化物質115の状態が変化しただけ起きることになる。リセットパルスは図3に示すように相変化物質のプログラミング可能な体積部分を非結晶質となるようにする。対照的に、セットパルスは相変化物質115のプログラミング可能な体積部分を結晶質となるようにする。さらに高い抵抗の非結晶状態は一般的にロジック“1”の保存に該当し、さらに低い抵抗の結晶質状態はロジック“0”の保存に該当する。
The memory cell of FIG. 1 can be programmed by applying heat to the
低電力消費を維持するため、リセット電流及びセット電流の両方を相対的に低くすることが好ましい。しかしながら、リセット作業の結果としての相変化物質の抵抗がセット作業後の相変化物質の抵抗に対してできるだけ大きな差を有することが好ましい。一般的にリセット電流の低減と共に、リセット及びセット状態間の抵抗差は縮小される。したがって、低いセット及びリセット電流を得ることを妥協して、セット及びリセット抵抗において好ましい差が維持されることになる。 In order to maintain low power consumption, it is preferable to relatively reduce both the reset current and the set current. However, it is preferable that the resistance of the phase change material as a result of the reset operation has as large a difference as possible with respect to the resistance of the phase change material after the setting operation. Generally, as the reset current is reduced, the resistance difference between the reset and set states is reduced. Thus, a good difference in set and reset resistance will be maintained at the expense of obtaining a low set and reset current.
特許文献1には、相変化物質を結晶状態に変化させるためのセットプログラム動作の速度を改善することができる方法が開示されている。
本発明が解決しようとする技術的課題は、相変化メモリセルのリセット電流を低減する方法を提供することにある。 A technical problem to be solved by the present invention is to provide a method for reducing a reset current of a phase change memory cell.
本発明が解決しようとする他の技術的課題は、相変化メモリセルのリセット電流を低減するのに好適な相変化メモリ素子を提供することにある。 Another technical problem to be solved by the present invention is to provide a phase change memory device suitable for reducing a reset current of a phase change memory cell.
本発明は、相変化メモリ装置のメモリセル内における相変化物質の一部をリセットするためのリセット電流を低減する方法及び相変化メモリ装置を提供する。方法は、第1結晶相を含む相変化物質の少なくとも一部を第2結晶相及び非結晶相のうち1つに変換させることを含む。第2結晶相は第1結晶相より容易に非結晶相に遷移する。例えば、第1結晶相は六方最密構造とすることができ、第2結晶相は面心立方構造とすることができる。 The present invention provides a method and a phase change memory device for reducing a reset current for resetting a part of a phase change material in a memory cell of a phase change memory device. The method includes converting at least a portion of a phase change material including a first crystalline phase into one of a second crystalline phase and an amorphous phase. The second crystal phase transitions to the amorphous phase more easily than the first crystal phase. For example, the first crystal phase can have a hexagonal close-packed structure, and the second crystal phase can have a face-centered cubic structure.
一実施形態において、変換は熱処理を介して実行される。例えば、相変化物質の溶融点より高い温度での急速熱処理(RTA:Rapid Thermal Annealing)は第1結晶相を非結晶相に変換するように実行することができる。 In one embodiment, the conversion is performed via a heat treatment. For example, rapid thermal annealing (RTA) at a temperature higher than the melting point of the phase change material can be performed to convert the first crystalline phase into an amorphous phase.
他の実施形態によって、熱処理は相変化メモリ装置を所定期間、相変化物質の溶融点より低い温度においてベーキングして第1結晶相を第2結晶相に変換させるような段階を含むことができる。 According to another embodiment, the heat treatment can include baking the phase change memory device for a predetermined period of time at a temperature below the melting point of the phase change material to convert the first crystalline phase to the second crystalline phase.
本発明の他の実施形態において、変換段階は電流を相変化物質に印加することによって達成できる。例えば、変換段階が実行されない場合、印加された電流はリセット電流より大きい。さらに詳しい例として、変換段階が実行されない場合、印加された電流はリセット電流の1.1倍とすることができる。本発明の他の実施形態において、電流の印加は前述のように相変化メモリ装置のベーキングの後に実行される。 In other embodiments of the invention, the conversion step can be accomplished by applying a current to the phase change material. For example, if the conversion stage is not performed, the applied current is greater than the reset current. As a more detailed example, if the conversion step is not performed, the applied current can be 1.1 times the reset current. In other embodiments of the invention, the application of current is performed after baking of the phase change memory device as described above.
本発明の他の実施形態において、リセット電流の低減は混合された相状態の相変化物質の少なくとも一部を単一相状態に変換することによって得られる。例えば、混合された結晶相状態の相変化物質の少なくとも一部は単一相状態に変化される。相状態は非結晶質相とすることができ、単一結晶相とすることができる。 In another embodiment of the present invention, the reset current reduction is obtained by converting at least a portion of the mixed phase state phase change material to a single phase state. For example, at least a portion of the mixed crystalline phase state phase change material is changed to a single phase state. The phase state can be an amorphous phase and can be a single crystal phase.
本発明は、さらに相変化メモリ装置に関するものである。 The invention further relates to a phase change memory device.
一実施形態において、相変化メモリ装置は、上部電極、下部電極、及び上/下部電極間に配置される相変化物質を含む。相変化物質は全体的に単一相とすることができ、単一相は非結晶相及び面心立方構造相のうち1つとすることができる。 In one embodiment, the phase change memory device includes a phase change material disposed between an upper electrode, a lower electrode, and an upper / lower electrode. The phase change material can generally be a single phase, and the single phase can be one of an amorphous phase and a face centered cubic structure phase.
一実施形態において、相変化物質は下部電極と接触する下部、及び残余部分を含む。下部は第1結晶相及び非結晶相のうち1つとすることができる。残余部分は少なくとも第2結晶相を含む。第1結晶相は第2結晶相より容易に非結晶相に遷移する。 In one embodiment, the phase change material includes a lower portion in contact with the lower electrode and a remaining portion. The lower part may be one of a first crystalline phase and an amorphous phase. The remaining portion includes at least the second crystal phase. The first crystal phase transitions to the amorphous phase more easily than the second crystal phase.
本発明は、相変化メモリセルのリセット電流を顕著に低減させるための方法を提供する。さらに、相変化メモリセルのセット状態とリセット状態との抵抗差を増加させることができるメリットがある。 The present invention provides a method for significantly reducing the reset current of a phase change memory cell. Further, there is an advantage that the resistance difference between the set state and the reset state of the phase change memory cell can be increased.
以下、添付した図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を詳しく説明する。しかしながら、本発明は、ここで説明する実施形態に限られず、他の形態で具体化されることもある。むしろ、ここで紹介される実施形態は開示された発明が完成されていることを示すと共に、当業者に本発明の思想を十分に伝えるために提供されるものである。図面において、層及び領域の厚みは明確性をあたえるために誇張して図示されたものである。明細書全体にわたって同じ参照番号は、同様の構成要素を示す。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein, and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided to demonstrate that the disclosed invention has been completed and to fully convey the spirit of the invention to those skilled in the art. In the drawings, the thickness of layers and regions are exaggerated for clarity. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.
図1に示すような相変化メモリセルを採用する相変化メモリ装置の動作の前に、ファイアリング動作を実行することができる。ファイアリング動作は相変化物質の少なくとも一部内に熱を発生させ、相変化物質を伴う次の動作で改善された結果が得られるようにする動作である。本発明において改善されたことの1つは低減されたリセット電流である。 Before the operation of the phase change memory device employing the phase change memory cell as shown in FIG. 1, a firing operation can be performed. The firing operation is an operation that generates heat in at least a portion of the phase change material so that improved results are obtained in subsequent operations involving the phase change material. One improvement in the present invention is reduced reset current.
図4は、初期ファイアリング実行前の相変化物質のセット抵抗分布を説明する図である。図4を参照すると、領域iにおいて、セット抵抗値は広く分布し、平均セット抵抗値は高い。よって、判読作業の際に誤りが発生することもあり、それによって効率が低下する。 FIG. 4 is a diagram for explaining the set resistance distribution of the phase change material before the initial firing. Referring to FIG. 4, in the region i, the set resistance values are widely distributed and the average set resistance value is high. Therefore, errors may occur during the interpretation work, thereby reducing efficiency.
図5は、初期ファイアリング実行後の相変化物質のセット抵抗分布を説明する図である。図5を参照すると、領域iiにおいて、セット抵抗値は狭い幅に均一に分布し、平均セット抵抗値は初期ファイアリング実行前の相変化物質のものより低い。初期ファイアリング動作は相変化メモリ装置にさらに安定した判読動作を提供するように実行される。 FIG. 5 is a diagram for explaining the set resistance distribution of the phase change material after the initial firing. Referring to FIG. 5, in the region ii, the set resistance values are uniformly distributed over a narrow width, and the average set resistance value is lower than that of the phase change material before the initial firing is performed. The initial firing operation is performed to provide a more stable reading operation for the phase change memory device.
例示を目的として、本発明の実施形態を相変化メモリセルが図1に示す構造を有することを仮定して説明する。しかしながら、当業者なら他の相変化メモリセル構造が本発明の実施形態として用いられることが理解できる。 For purposes of illustration, embodiments of the present invention will be described assuming that the phase change memory cell has the structure shown in FIG. However, one skilled in the art will appreciate that other phase change memory cell structures may be used as embodiments of the present invention.
図6は、本発明の一実施形態に係る初期ファイアリング方法を説明するフローチャートである。図6を参照すると、本発明の実施形態に係る相変化物質を有する相変化メモリ装置の初期ファイアリング方法300は、複数のメモリアレイブロックのうち1つを選択する段階310、選択されたメモリアレイブロックのワードラインを順次にイネーブルにする段階320、及び選択されたメモリセルアレイブロックのビットラインにファイアリング電流を印加する段階330を含む。ファイアリング電流はリセット電流より大きくて、相変化物質がリセット状態になるようにする。
FIG. 6 is a flowchart illustrating an initial firing method according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 6, an
図7は、本発明による相変化メモリ装置400の一実施形態を説明するブロックダイヤグラムである。図7を参照すると、相変化メモリ装置400は、複数のメモリセルアレイブロックBLK1、BLK2〜BLKi、カウンタクロック発生部410、デコーディング部420、及び駆動部440を含む。それぞれのメモリセルアレイブロックBLK1、BLK2〜BLKiは図1に示すような相変化メモリセルを含む。カウンタクロック発生部410は、外部クロック信号EXCLK及びファイアリングモード信号XWIFに応答して第1ないし第3カウンタクロック信号CCLK1、CCLK2、CCLK3を出力する。第1ないし第3カウンタクロック信号CCLK1、CCLK2、CCLK3はそれぞれ異なる周期を有する。
FIG. 7 is a block diagram illustrating one embodiment of a phase
デコーディング部420は、第1ないし第3カウンタクロック信号CCLK1、CCLK2、CCLK3に応答して、複数のメモリセルアレイブロックBLK1、BLK2〜BLKiのうち1つを選択するブロックアドレスBLKADD、選択されたメモリセルアレイブロックのワードラインをイネーブルにするワードラインアドレスWLADD、及び選択されたメモリセルアレイブロックのリダンダントワードラインをイネーブルにするリダンダントワードラインアドレスREDADDを出力する。
The
駆動部440は、ファイアリングモード信号XWIFに応答してファイアリング電流IFCをメモリセルアレイブロックBLK1、BLK2〜BLKiに印加する。
The driving
本発明の実施形態に係る相変化メモリ装置及び初期ファイアリング方法は、図6及び図7を参照して説明することができる。相変化メモリ装置400内のメモリセルアレイブロックBLK1、BLK2〜BLKiは複数の相変化メモリセル(図示せず)を含む。カウンタクロック発生部410は、外部クロック信号EXCLK及びファイアリングモード信号XWIFに応答して第1ないし第3カウンタクロック信号CCLK1、CCLK2、CCLK3を出力する。第1ないし第3カウンタクロック信号CCLK1、CCLK2、CCLK3はそれぞれ異なる周期を有する。
A phase change memory device and an initial firing method according to an embodiment of the present invention can be described with reference to FIGS. Memory cell array blocks BLK1, BLK2-BLKi in phase
クロック信号周期を有する外部クロック信号EXCLKは、外部から入力されて初期ファイアリング動作実行時、初期ファイアリングモードでのみ活性化される。ファイアリングモード信号XWIFは、相変化メモリ装置400が初期ファイアリングモードの時に発生する。
The external clock signal EXCLK having a clock signal period is input from the outside and activated only in the initial firing mode when the initial firing operation is executed. The firing mode signal XWIF is generated when the phase
カウンタクロック発生部410は複数のカウンタを含む。カウンタの出力は、メモリセルアレイブロックBLK1、BLK2〜BLKiを順次に選択するようにデコーディングされて初期ファイアリング動作を実行することができるようにする。
The counter
カウンタクロック発生部410は、第1ないし第nローカウンタRC1、RC2〜RCn、リダンダントカウンタRDDC、及び第1ないし第mコラムカウンタCC1、CC2〜CCmを含む。
The
第1ないし第nローカウンタRC1、RC2〜RCnは、ファイアリングモード信号XWIFに応答してオンまたはオフにされ、外部クロック信号EXCLKに応答して第1ないし第nローカウンタクロック信号RCCLK1、RCCLK2〜RCCLKnを発生させる。第1ないし第Nローカウンタクロック信号RCCLK1、RCCLK2〜RCCLKnは第1カウンタクロック信号CCLK1を構成する。 The first through n-th row counters RC1, RC2-RCn are turned on or off in response to the firing mode signal XWIF, and the first through n-th row counter clock signals RCCLK1, RCCLK2- in response to the external clock signal EXCLK. Generate RCCLKn. The first through Nth row counter clock signals RCCLK1 and RCCLK2 to RCCLKn constitute a first counter clock signal CCLK1.
リダンダントカウンタRDDCはファイアリングモード信号XWIFに応答してオンまたはオフにされ、外部クロック信号EXCLKに応答して第2カウンタクロック信号CCLK2を発生させる。第1ないし第mコラムカウンタCC1、CC2〜CCmはファイアリングモード信号XWIFに応答してオンまたはオフにされ、外部クロック信号EXCLKに応答して第1ないし第mコラムカウンタクロック信号CCCLK1、CCCLK2〜CCCLKmを発生させ、第1ないし第mコラムカウンタクロック信号CCCLK1、CCCLK2〜CCCLKmは第3カウンタクロック信号CCLK3を構成する。 The redundant counter RDDC is turned on or off in response to the firing mode signal XWIF, and generates the second counter clock signal CCLK2 in response to the external clock signal EXCLK. The first through m-th column counters CC1, CC2-CCm are turned on or off in response to the firing mode signal XWIF, and the first through m-th column counter clock signals CCCLK1, CCCLK2-CCCLKm in response to the external clock signal EXCLK. The first to m-th column counter clock signals CCCLK1, CCCLK2 to CCCLKm constitute a third counter clock signal CCLK3.
第2ないし第nローカウンタRC2〜RCnは前のローカウンタから出力されるキャリーCに応答して順次に動作する。リダンダントカウンタRDDCは第nローカウンタRCnから出力されるキャリーCに応答して動作する。第1コラムカウンタCC1はリダンダントカウンタRDDCから出力されるキャリーCに応答して動作する。第2ないし第mコラムカウンタCC2〜CCmは、前のコラムカウンタから出力されるキャリーCに応答して順次に動作される。 The second to n-th row counters RC2 to RCn sequentially operate in response to the carry C output from the previous row counter. The redundant counter RDDC operates in response to the carry C output from the nth row counter RCn. The first column counter CC1 operates in response to the carry C output from the redundant counter RDDC. The second to m-th column counters CC2 to CCm are sequentially operated in response to the carry C output from the previous column counter.
カウンタクロック発生部410の動作を図9のタイミング図を参照して詳細に説明する。図9は、図7の相変化メモリ装置の動作を説明するタイミング図である。
The operation of the counter
第1ないし第nローカウンタRC1、RC2〜RCn、リダンダントカウンタRDDC、及び第1ないし第mコラムカウンタCC1、CC2〜CCmは、外部クロック信号EXCLK及びファイアリングモード信号XWIFに応答して自己のカウント動作を実行する。ファイアリングモード信号XWIFがディスエーブルになると、カウンタクロック発生部410のカウンタもオフになる。また、第2ローカウンタRC2は第1ローカウンタRC1によって生成されるキャリーCに応答して動作する。第3ローカウンタRC3は第2ローカウンタRC2によって生成されるキャリーCに応答して動作する。リダンダントカウンタRDDCはnローカウンタRCnによって生成されるキャリーCに応答して動作する。第1コラムカウンタCC1はリダンダントカウンタRDDCによって生成されるキャリーCに応答して動作される。同様に、第mコラムカウンタCCmはm−1コラムカウンタ(図示せず)によって生成されるキャリーCに応答して動作する。このような方式によって、カウンタクロック発生部410のカウンタは順次に動作する。
The first to n-th row counters RC1, RC2-RCn, the redundant counter RDDC, and the first to m-th column counters CC1, CC2-CCm are self-counting in response to the external clock signal EXCLK and the firing mode signal XWIF. Execute. When the firing mode signal XWIF is disabled, the counter of the
図9に示すように、カウンタクロック発生部410のカウンタから生成される信号の周期は順次に2倍ずつ増加する。すなわち、第1ないし第nローカウンタRC1、RC2〜RCnから出力される第1ないし第nローカウンタクロック信号RCCLK1、RCCLK2〜RCCLKnは順次に2倍ずつ増加する。リダンダントカウンタRDDCから出力される第2カウンタクロック信号CCLK2の周期は第nローカウンタRCnから出力される第nローカウンタクロック信号RCCLKnの周期の2倍である。第1コラムカウンタCC1から出力される第1コラムカウンタクロック信号CCCLK1の周期はリダンダントカウンタRDDCから出力される第2カウンタクロック信号CCLK2の周期の2倍である。同様に、第2ないし第mカウンタクロック信号CCCLK2〜CCCLKmの周期は順次に2倍ずつ増加する。よって、第1ないし第3カウンタクロック信号CCLK1、CCLK2、CCLK3は順次に発生する。第1ないし第3カウンタクロック信号らCCLK1、CCLK2、CCLK3はデコーディング部420に入力される。
As shown in FIG. 9, the cycle of the signal generated from the counter of the
デコーディング部420は、第1ないし第3カウンタクロック信号CCLK1、CCLK2、CCLK3に応答して、複数のメモリセルアレイブロックBLK1、BLK2〜BLKiのうち1つを選択するブロックアドレスBLKADD、選択されたメモリセルアレイブロックのワードラインをイネーブルにするワードラインアドレスWLADD、及び選択されたメモリセルアレイブロックのリダンダントワードラインをイネーブルにするリダンダントワードラインアドレスREDADDを出力する。デコーディング部420はローデコーダ425、リダンダントデコーダ430、及びコラムデコーダ435を含む。ローデコーダ425はワードラインアドレスWLADDを出力し、これらは第1カウンタクロック信号CCLK1に応答して順次にイネーブルになる。すなわち、ローデコーダ425は周期が互いに異なる第1ないし第nローカウンタクロック信号RCCLK1、RCCLK2〜RCCLKnを受信してデコーディングした後、デコーディング結果をワードラインアドレスWLADDとして出力する。ワードラインアドレスWLADDは、選択されたメモリセルアレイブロックのワードラインを最上位ビットから最下位ビットまで順次にイネーブルにする。
The
リダンダントデコーダ425は第2カウンタクロック信号CCLK2に応答してリダンダントワードラインアドレスREDADDを出力する。コラムデコーダ435はブロックアドレスBLKADDを出力し、これは第3カウンタクロック信号CCLK3に応答して複数のメモリセルアレイブロックBLK1、BLK2〜BLKiのうち1つを選択する。コラムカウンタ435は周期が互いに異なる第1ないし第mコラムカウンタクロック信号CCCLK1、CCCLK2〜CCCLKmを受信及びデコーディングした後、デコーディング結果をブロックアドレスBLKADDとして出力する。ブロックアドレスBLKADDは選択されたメモリセルアレイブロックのすべてのビットラインをイネーブルにする。カウンタクロック発生部410から出力されるクロック信号を受信及びデコーディングするデコーディング部420の構造は多様である。
The
駆動部440はファイアリングモード信号XWIFに応答してファイアリング電流IFCをメモリセルアレイブロックBLK1、BLK2〜BLKiに印加する。駆動部440の動作は図8を参照して説明する。図8は、図7の駆動部440を説明する図である。図8を参照すると、駆動部440は第1端がファイアリング電圧VPPに接続され、第2端がメモリセルアレイブロックのビットラインBL0、BL1〜BLpに接続されてゲートにファイアリングモード信号XWIFが接続される複数のトランジスタTR1〜TRlを具備する。トランジスタTR1〜TRlはビットラインBL0、BL1〜BLpにファイアリング電流IFCを印加することができる適切なサイズを有する。
The driving
図8は、k+1個のワードラインとp+1個のビットライン及び1個のリダンダントワードラインWLredを具備する第1メモリセルアレイブロックBLK1のみを示す図である。 FIG. 8 is a diagram illustrating only the first memory cell array block BLK1 including k + 1 word lines, p + 1 bit lines, and one redundant word line WLred.
ブロックアドレスBLKADDは、ファイアリング動作の初めは第1メモリセルアレイブロックBLK1を自動で選択する。そして、第1カウンタクロック信号CCLK1を受信するローデコーダ425がワードラインアドレスWLADDを出力して第1メモリセルアレイブロックBLK1のワードラインWL0、WL1〜WLkを順次にイネーブルにする。すなわち、最初に第1ワードラインWL0がイネーブルにされる。駆動部440は第1メモリセルアレイブロックBLK1のビットラインBL0、BL1〜BLpにファイアリング電流IFCを印加する。その後、第1ワードラインWL0に接続されたメモリセルアレイの相変化物質に対して初期ファイアリング動作が実行される。
The block address BLKADD automatically selects the first memory cell array block BLK1 at the beginning of the firing operation. Then, the
次に、第1ワードラインWL0がディスエーブルにされ、第2ワードラインWL1がイネーブルにされる。その後、第2ワードラインWL1に接続されたメモリセルアレイの相変化物質に対して初期ファイアリング動作が実行される。このような方法で、第kワードラインWLk及びリダンダントワードラインWLredに接続されたメモリセルアレイの相変化物質に対して初期ファイアリング動作が実行される。そして、第1メモリセルアレイブロックBLK1の初期ファイアリング動作が終了する。カウンタクロック発生部410の第1ないし第nローカウンタRC1、RC2〜RCn及びリダンダントカウンタRDDCは、順次に動作されて順次に第1ないし第nローカウンタクロックRCCLK1、RCCLK2〜RCCLKn及び第2カウンタクロックCCLK2を出力するので、第1ないし第kワードラインWL0、WL1〜WLk及びリダンダントワードラインWLredは順次にイネーブルにされる。
Next, the first word line WL0 is disabled and the second word line WL1 is enabled. Thereafter, an initial firing operation is performed on the phase change material of the memory cell array connected to the second word line WL1. In this manner, the initial firing operation is performed on the phase change material of the memory cell array connected to the kth word line WLk and the redundant word line WLred. Then, the initial firing operation of the first memory cell array block BLK1 is completed. The first through n-th row counters RC1, RC2-RCn and the redundant counter RDDC of the
リダンダントワードラインWLredがディスエーブルにされると、第1ないし第mコラムカウンタCC1、CC2〜CCmの動作によってコラムデコーダ435はブロックアドレスBLKADDを出力し、ブロックアドレスBLKADDは第2メモリセルアレイブロックBLK2を選択する。これは図9のタイミング図から分かる。第2メモリセルアレイブロックBLK2が選択されると、第1ないし第nワードライン(図示せず)及びリダンダントワードライン(図示せず)が順次にイネーブルにされ、ファイアリング動作が実行される。
When the redundant word line WLred is disabled, the
ファイアリング電圧VPPは、電源電圧レベルと同じであるか、それよりも大きい電圧レベルを有する。そして、接続されるメモリセルアレイの数を考慮し電圧レベルをもっと高めるか低めることができる。ファイアリング電圧VPPは本発明の他の実施形態でさらに詳しく説明する。ファイアリング電流IFCはリセット電流よりも大きい電流であり、本発明の他の実施形態でさらに詳しく説明する。 The firing voltage VPP has a voltage level equal to or greater than the power supply voltage level. The voltage level can be further increased or decreased in consideration of the number of memory cell arrays connected. The firing voltage VPP will be described in more detail in another embodiment of the present invention. The firing current IFC is larger than the reset current, and will be described in more detail in another embodiment of the present invention.
駆動部440は、ブロックアドレスBLKADD及びファイアリングモード信号XWIFに応答してファイアリング電流IFCをブロックアドレスBLKADDによって選択された相変化メモリセルアレイのビットラインにのみ印加するように制御する制御部510をさらに具備することができる。すなわち、選択されたメモリセルアレイブロックだけでファイアリング電流IFCを印加することができるようにすることで、より正確なファイアリング動作を実行することができる。制御部510はNANDゲートとすることができる。すなわち、ブロックアドレスBLKADDとファイアリングモード信号XWIFの両方がハイレベルにイネーブルにされる場合のみ、NANDゲートの出力はローレベルとなってトランジスタTR1〜TRlをオンにする。トランジスタTR1〜TRlはPMOSトランジスタとして示されているが、これに限定されるものではない。
The driving
本発明の実施形態に係る相変化メモリ装置400は、外部で入力される信号を外部クロック信号EXCLK、ファイアリングモード信号XWIF、ファイアリング電圧VPP、電源電圧及び接地電圧などに最小化することによって、1つのウエハ(Wafer)の多数のチップを一度にテストすることができる。
The phase
本願発明者は、結晶相状態において、相変化物質が六方最密(HCP)結晶構造と面心立方(FCC)結晶構造の混合であるということを見つけた。FCC結晶構造はHCP結晶構造よりもおおよそ二乗の大きさでさらに大きな抵抗を提供する。しかしながら、本願発明者はFCC結晶構造を非結晶相に変換するのに必要なエネルギーよりもさらに多くのエネルギーがHCP結晶構造を非結晶相に変換するのに必要であるということを見つけた。前述の他の方式において、FCC状態がHCPよりも結晶−非結晶遷移においてさらに好適であるが、これはFCC状態が結晶状態から非結晶状態に容易に遷移するからである。 The inventors have found that in the crystalline phase state, the phase change material is a mixture of a hexagonal close-packed (HCP) crystal structure and a face-centered cubic (FCC) crystal structure. The FCC crystal structure provides a greater resistance at approximately the square magnitude than the HCP crystal structure. However, the present inventor has found that more energy is required to convert the HCP crystal structure to the amorphous phase than is necessary to convert the FCC crystal structure to the amorphous phase. In the other methods described above, the FCC state is more suitable in the crystal-amorphous transition than HCP because the FCC state easily transitions from the crystalline state to the amorphous state.
また、本願発明者は、十分に高いファイアリング電流、または温度を印加することによって、相変化物質またはその一部(例えばプログラミング可能な体積部分)が非結晶質またはFCC結晶相に変化することを見つけた。そして、本発明者はこのようなファイアリングの後、セット時点で、相変化物質のプログラミング可能な体積部分がFCC結晶状態であることを見つけた。その結果、本願発明者は、ファイアリング電流を適切に選択することによって、リセット状態を果たすのに必要なリセット電流を低減することができるということを見つけた。このようなファイアリングは、またセット状態の抵抗を低減するが、ファイアリング前に存在するよりも大きなセット及びリセット抵抗間のマージンを提供する。 In addition, the present inventor has confirmed that, by applying a sufficiently high firing current or temperature, the phase change material or a part thereof (for example, a programmable volume) is changed to an amorphous or FCC crystalline phase. I found it. The inventor then found that after such firing, the programmable volume of the phase change material was in the FCC crystalline state at the set time. As a result, the present inventors have found that the reset current required to fulfill the reset state can be reduced by appropriately selecting the firing current. Such firing also reduces the resistance of the set state, but provides a larger margin between the set and reset resistance than exists before firing.
図10Aは、本発明によって印加されるファイアリング電流の一実施形態を示す図である。ファイアリング電流の印加は、前述の実施形態と同様に実行することができる。図に示すように、相対的に高い電流パルスを印加することによって、相変化物質はファイアリング後に非結晶相に変換される。図10Aに示すように、これは次の動作において要求されるリセット電流がさらに低くなる結果をもたらす。 FIG. 10A is a diagram illustrating one embodiment of a firing current applied by the present invention. The application of the firing current can be performed in the same manner as in the above-described embodiment. As shown, by applying a relatively high current pulse, the phase change material is converted to an amorphous phase after firing. As shown in FIG. 10A, this results in a lower reset current required in the next operation.
図10Bは、本発明のさらに他の実施形態を示す図である。本実施形態において、同一の高ファイアリング電流が印加され、その後、徐々に低い電流が印加される。このようなファイアリング動作の結果、相変化物質は高抵抗FCC結晶状態に変換されるが、同じ効果が得られる。すなわち、同一の低リセット電流及び低セット抵抗状態が得られる。 FIG. 10B is a diagram showing still another embodiment of the present invention. In this embodiment, the same high firing current is applied, and then gradually a lower current is applied. As a result of such firing operation, the phase change material is converted to a high resistance FCC crystal state, but the same effect is obtained. That is, the same low reset current and low set resistance state can be obtained.
図11は、リセット電流に対するファイアリング電流の効果を示す図である。特に、これは初期プリ−ファイアリングリセット電流に対するファイアリング電流の比率の増加に対するリセット電流の比率の減少を示している。ここで、リセットパルスの幅は500ナノ秒で設定され、これは図10Aの実施形態と一致する。すなわち、ファイアリングは相変化物質が非結晶相となるようにする。図に示すように、リセット電流が初期プリ−ファイアリングリセット電流よりも高く増加することによって、ポスト−ファイアリングリセット電流は減少する。特に、ファイアリング電流が初期リセット電流の10%〜20%(例えば、初期リセット電流の1.1〜1.2倍)またはそれ以上まで増加する場合、リセット電流が相当量減少するようになる。 FIG. 11 is a diagram illustrating the effect of the firing current on the reset current. In particular, this shows a decrease in the ratio of the reset current to an increase in the ratio of the firing current to the initial pre-firing reset current. Here, the width of the reset pulse is set at 500 nanoseconds, which is consistent with the embodiment of FIG. 10A. That is, firing causes the phase change material to become an amorphous phase. As shown in the figure, the post-firing reset current decreases as the reset current increases higher than the initial pre-firing reset current. In particular, if the firing current increases to 10% to 20% of the initial reset current (eg, 1.1 to 1.2 times the initial reset current) or more, the reset current will decrease by a considerable amount.
図12は、リセット電流に対するファイアリングの回数の効果を示す図である。初期プリ−ファイアリングリセット電流よりも20%大きいファイアリング電流(例えば、初期リセット電流の1.2倍)及び500ナノ秒(ファイアリング後非結晶相となる)のパルス幅に対して、図12はこのようなファイアリングの回数によるリセット電流の変化を示す図である。図に示すように、リセット電流がファイアリングの通電が多数回行われても、あまり影響されないことを示す図である。 FIG. 12 is a diagram illustrating the effect of the number of firings on the reset current. For a firing current that is 20% greater than the initial pre-firing reset current (eg, 1.2 times the initial reset current) and a pulse width of 500 nanoseconds (which becomes an amorphous phase after firing), FIG. FIG. 5 is a diagram showing a change in reset current depending on the number of firings. As shown in the figure, the reset current is not significantly affected even if the energization of the firing is performed many times.
図13は、リセット及びセット状態間の抵抗マージンに対する本発明のファイアリングの効果を示す図である。図13の左側はファイアリング前(プリ−ファイアリング)のリセット及びセット状態の抵抗分布が示されている。図13の右側にはファイアリング後(ポスト−ファイアリング)のリセット及びセット状態の抵抗分布が示されている。図13に示すように、ファイアリング前では、セット及びリセット分布はほとんど重畳する。その結果、メモリの欠陥が発生し得る。対照的に、ファイアリング後では、さらに大きいマージンがセット及びリセット分布の間に存在して多数のメモリの欠陥が著しく減少する。 FIG. 13 is a diagram showing the effect of firing of the present invention on the resistance margin between reset and set states. The left side of FIG. 13 shows the resistance distribution in the reset and set states before firing (pre-firing). The right side of FIG. 13 shows the resistance distribution in the reset and set states after firing (post-firing). As shown in FIG. 13, the set and reset distributions almost overlap before firing. As a result, memory defects can occur. In contrast, after firing, a larger margin exists between the set and reset distributions, which significantly reduces the number of memory defects.
図14A及び図14Bは、本発明のファイアリング処理による2つの改善した例を示す図である。図14Aはファイアリングにより非結晶相となった場合を示し、図14BはファイアリングによりFCC結晶相となった場合を示す図である。図に示すように、前述の実施形態において、初期リセット電流よりも20%大きいファイアリング電流(例えば、初期リセット電流の1.2倍)が例として選択された。また、この図面は、リセット電流の減少が図11の例から予想されるように、さらに20%大きいということを示す。 14A and 14B are diagrams showing two improved examples by the firing process of the present invention. FIG. 14A shows a case where an amorphous phase is formed by firing, and FIG. 14B is a diagram showing a case where an FCC crystalline phase is formed by firing. As shown in the figure, in the above-described embodiment, a firing current 20% larger than the initial reset current (for example, 1.2 times the initial reset current) was selected as an example. This figure also shows that the decrease in reset current is an additional 20%, as expected from the example of FIG.
図15は、本発明の他の実施形態を示す図である。図に示すように、段階S1510において、半導体メモリ素子は所定温度で所定時間、ベーキングされて相変化物質がHCP結晶状態を有するようにする。例えば、温度は相変化物質の溶融点以下である。本実施形態において、相変化物質のプログラミング可能な体積部分及び残余部分はHCP結晶構造を有する。次に、段階S1512において、ファイアリング電流は図10Bに示すように印加されてプログラミング可能な体積部分がFCC結晶状態を有するようにする。相変化物質の残余部分はHCP結晶状態として残るようになる。 FIG. 15 is a diagram showing another embodiment of the present invention. As shown, in step S1510, the semiconductor memory device is baked at a predetermined temperature for a predetermined time so that the phase change material has an HCP crystal state. For example, the temperature is below the melting point of the phase change material. In this embodiment, the programmable volume portion and the remaining portion of the phase change material have an HCP crystal structure. Next, in step S1512, a firing current is applied as shown in FIG. 10B so that the programmable volume has an FCC crystalline state. The remaining portion of the phase change material remains in the HCP crystal state.
図16は、本発明のさらに他の実施形態を示す図である。前述の実施形態においては、相変化物質に対する電流の印加によってファイアリング動作が行われる。前述のように、電流が印加されると熱が発生するようになる。そこで、相変化物質に熱を加えるために電流を用いる代わりに、熱を直接加えられることもできる。例えば、図16は段階S1610において急速熱処理が相変化メモリセルを含む半導体装置に対して実行されることを示している。急速熱処理は十分な温度で十分な時間実行されて相変化物質を非結晶状態に変化させる。例えば、温度は相変化物質の溶融点より高い。 FIG. 16 is a diagram showing still another embodiment of the present invention. In the above-described embodiment, the firing operation is performed by applying a current to the phase change material. As described above, heat is generated when a current is applied. Thus, instead of using a current to apply heat to the phase change material, heat can also be applied directly. For example, FIG. 16 illustrates that a rapid thermal process is performed on a semiconductor device including phase change memory cells in step S1610. The rapid heat treatment is performed at a sufficient temperature for a sufficient time to change the phase change material to an amorphous state. For example, the temperature is higher than the melting point of the phase change material.
以上のように、図面と明細書において好適な実施形態を開示した。ここでは特定の用語が使われたが、それはただ本発明を説明するための目的で使われたものであって意味の限定や特許請求範囲に記載された本発明の範囲を制限するために使われたのではない。よって、当業者であれば、本技術により多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であると理解できる。したがって、本発明の実質的な技術的保護範囲は、添付された特許請求範囲の技術的思想によって決められなければならない。 As described above, preferred embodiments have been disclosed in the drawings and specification. Although specific terms are used herein, they are used merely to describe the present invention and are used to limit the scope of the invention as defined in the meaning and claims. It wasn't broken. Therefore, those skilled in the art can understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible according to the present technology. Therefore, the substantial technical protection scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.
100 基板
102 下部絶縁層
105 第1コンタクトホール
113 下部電極
115 相変化物質
119 上部電極
122 上部絶縁層
125 第2コンタクトホール
127 伝導性プラグ
129 金属パターン
DESCRIPTION OF
Claims (30)
第1結晶相を含む前記相変化物質の少なくとも一部を第2結晶相及び非結晶相のうち1つに変換する段階を含み、前記第2結晶相は前記第1結晶相より容易に非結晶相に遷移することを特徴とする方法。 In a method for reducing a reset current for resetting a part of a phase change material in a memory cell of a phase change memory device,
Converting at least a portion of the phase change material including a first crystalline phase into one of a second crystalline phase and an amorphous phase, wherein the second crystalline phase is more easily amorphous than the first crystalline phase. A method characterized by transitioning to a phase.
混合相状態の前記相変化物質の少なくとも一部を単一相状態に変換する段階を含むことを特徴とする方法。 In a method of reducing a reset current for resetting a part of a phase change material in a memory cell of a phase change memory device to an amorphous phase,
Converting at least a portion of the phase change material in a mixed phase state to a single phase state.
電流を前記相変化物質に印加する段階を含み、前記印加段階後の前記相変化物質の前記リセット電流が前記印加段階前の前記リセット電流よりも低いことを特徴とする方法。 In a method of reducing a reset current for resetting a part of a phase change material in a memory cell of a phase change memory device to an amorphous phase,
Applying a current to the phase change material, wherein the reset current of the phase change material after the application step is lower than the reset current before the application step.
前記相変化メモリ装置に熱処理を実行する方法を含み、前記実行段階後の前記相変化物質のリセット電流が前記実行段階前のリセット電流よりも低いことを特徴とする方法。 In a method of reducing a reset current for resetting a part of a phase change material in a memory cell of a phase change memory device to an amorphous phase,
A method comprising performing a heat treatment on the phase change memory device, wherein a reset current of the phase change material after the execution stage is lower than a reset current before the execution stage.
下部電極と、
前記上部電極と前記下部電極との間に配置される相変化物質とを含み、前記相変化物質は全体的に単一相であり、前記単一相は非結晶相及び面心立方構造相のうち1つであることを特徴とする相変化メモリ装置。 An upper electrode;
A lower electrode;
A phase change material disposed between the upper electrode and the lower electrode, wherein the phase change material is entirely a single phase, the single phase being an amorphous phase and a face-centered cubic structure phase. A phase change memory device characterized by being one of them.
下部電極と、
前記上部電極と前記下部電極との間に配置される相変化物質とを含み、前記相変化物質は前記下部電極と接触する下部と、残り部分を含み、前記下部は第1結晶相及び非結晶相のうち1つであり、前記残り部分は少なくとも第2結晶相を含み、前記第1結晶相は前記第2結晶相より容易に前記非結晶相に遷移することを特徴とする方法。 An upper electrode;
A lower electrode;
A phase change material disposed between the upper electrode and the lower electrode, wherein the phase change material includes a lower portion in contact with the lower electrode and a remaining portion, and the lower portion includes a first crystalline phase and an amorphous state. And the remaining portion includes at least a second crystalline phase, and the first crystalline phase is more easily transitioned to the amorphous phase than the second crystalline phase.
前記相変化物質の一部を結晶相から非結晶相に変化させるのに必要なエネルギーが減少するように前記相変化物質を処理する段階を含むことを特徴とする方法。 In a method for improving the operation of a phase change memory device including at least one memory cell having a phase change material,
Treating the phase change material to reduce energy required to change a portion of the phase change material from a crystalline phase to an amorphous phase.
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