TWI307888B - Read bias scheme for phase change memories - Google Patents

Description

1307888 九、發明說明： I；發明戶斤屬之技術領域3 發明領域 本發明一般係關於被採用以儲存電子資訊之記憶體。 5 【冬好】 發明背景 於一情況中，當從相位改變記憶胞讀取裝置資料時， 可被施加較低於臨限電壓之電壓，並且電流被量測以便判 定裝置電阻。被量測之裝置電阻判定呈現於相位改變記憶 10 體中之結晶體程度，以及因此，被儲存於記憶胞中之資料 狀態。 當讀取一組重置或者較高的電阻位元時，如果讀取電 壓是較大於臨限電壓，由於裝置被導通之事實，則裝置可 以突然跳回至一較低許多之電壓並且一組較高許多的電流 15 值可被量測。於此情況中，可能不易在設定或者較低電阻 以及位元重置狀態之間識別。迫使電壓以讀取資料之讀取 機構必須確保較小於臨限電壓之電壓被施加之邊限。同樣 地，相同效應可發現於藉由迫使電流而讀取裝置資料之系 統中。 20 【發明内容】 發明概要 因此，需要有一種方法以讀取提供較高邊限的相位改 變記憶體。 圖式簡單說明 1307888 相位改變材料笳 ^ Γ^ρ A寸軏例可以包含硫屬材料或者歐沃尼克材 料。i/v沃尼克材料可 θ 疋 里歷電子式或者結構改變之材料 並且作用如同曾經遭 苒雙柯十 ,又電壓、電流、光、熱等等之施加的 二、。㈣材料可以是包含來自表第νι行之至 二Γ 或者可以是包含―種或者多種硫族元素 的材料’例如，碲 ώ 、或者硒之任何元素。歐沃尼克和 硫屬材料可以是可被使用以儲存資訊之非依電性記憶體材 料。 於實她例中，記憶體材料可以是來自蹄-鍺-録 10 (TeXGeySbZ_l硫屬元素合成物或者GeSbTe合金，雖 然本發明料並H定於這些材料。 ;貫知例中，如果記憶體材料是非依電性相位改變 材料則η己I·意體材料可以藉由施加一組電氣信號至記憶體 材料而被規劃成為至少兩種記憶體狀態之一。一組電氣信 15 5虎可以改變在大致上是晶體狀態和大致上是非結晶狀態之 間的記憶體材料相位，其中大致上是非結晶狀態的記憶體 材料之电阻疋較大於大致上是晶體狀態之記憶體材料電阻 。因此，於這實施例中，該記憶體材料可以是適用於被更 文在電阻值乾圍内之至少兩組電阻值的一組以提供單一位 20元或者多位元之資訊儲存。 改變材料狀態或者相位之記憶體材料的規劃可以藉由 把加電壓至電極丨6和20而被進行，因而跨越記憶體材料層 18而產生一組電壓。反應於被施加之電壓，電流可以流經 過部份記憶體材料層18，並且可導致記憶體材料層18之加 1307888 熱0 狀離i二和依序的冷卻可以改變記憶體材料層18之記怜 狀践者相位。改變記憶體材料層18之相位或者狀態可= 改變》己tt體材料層18之電氣特性。例如，材料㈣之電阻 由改變記憶體材料層18之相位而被修改。記憶體材 也可以被稱為可規劃電阻材料或者簡單稱為可 材料。 ;實知例中，大約為05_15伏特之電壓差量可藉由 施加大約為〇伏特至下方電極16並且以大約為〇515伏特 1〇施加至上方電極20而被施加跨越記憶體材料部份。反應於 被施加之電壓而經由記憶體材料層18流動之電流可以導致 記憶體材料之加熱。這加熱和依序的冷卻可以改變材料之 §己憶體狀態或者相位。 於”重置”狀態’記憶體材料可以是非結晶形狀態或者 15 結晶形狀態，並且是，，設定，，狀態，記憶體材料可以是 結晶或者半結晶狀態。非結晶或者半非結晶狀態的記憶體 材料電阻可以是較大於結晶或者半結晶狀態之材料電阻。 非結晶狀態和結晶狀態之重置和設定的關係，分別地是一 種協定。其他的協定亦可以被採用。 2〇 Φ於電流，記憶體材料可以被熱至相對較高的溫度以 使記憶體材料無法結晶並且”重置”記憶體材料(例如，規劃 記憶體材料為邏輯，，〇，，值）。加熱容積或者記憶體材料至相對 較低之晶體化溫度可以晶體化記憶體材料並且，，設定，，記憶 體材料(例如，規劃記憶體材料為邏輯” i，，值）。各種記憶體 1307888 材料電阻可以藉由經由記憶體材料容積以變化電流數量和 持續而得到以儲存資訊。 被儲存於記憶體材料2 4中之資訊可以藉由量測記憶體 材料電阻而被讀取。如範例所示，讀取電流可以使用相對 5 電極16、20被提供至記憶體材料並且跨越記憶體材料層18 而產生的讀取電壓可以使用，例如，感應放大器（未展示出 )而對照地比較至參考電壓。讀取電壓可以成比例於所展示 之記憶體儲存元件的電阻。因此，較高的電壓可以指示記 憶體材料是在相對較高的電阻狀態，例如，”重置”狀態。 10 較低之電壓可以指示記憶體材料是在相對較低的電阻狀態 ，例如，”設定”狀態。 習見地，相位改變記憶體裝置在臨限電壓ντ下之區域 被讀取。如果經歷過超出該臨限電壓之電壓，則元件22經 歷所謂的突然跳回，其中在臨限電壓已經超出之後於電壓 15 中以及電流有一戲劇性的改變。 相位改變元件22可以被規劃為零狀態，以至於在低電 壓或者低場方式中，其展示非常高的電阻。斷電電阻可以 ，例如，從50000歐姆至低偏壓之較大於10百萬歐姆之範圍 。元件22可以保持於其斷電狀態直至臨限電壓VT或者臨限 20 電流Ιτ切換元件22至導通狀態之高度傳導性、低電阻為止。 在導通之後越過元件22的電壓下降至稍微地較低電壓（被 稱為保持電壓VH)並且保持非常接近該臨限電壓。 在通過突然跳回區域之後，以導通狀態，當通過裝置 之電流被增加而上升至某種相對地高之電流位準時，元件 1307888 :=降接近保持電壓。高於該電流位準，裝置保 增加而择力m有限差分電阻，其電壓降隨著電流之 =:徵保持電流值或者電壓被降低至特徵保= 料。突然μ其兩者1 取決於被採用以形成裝置22之大小及材 、奸回電壓實際上是臨限電壓減去保持電壓。 10 跳回圖之—假設的電流相對於電壓的平面圖中，突然 實It已顯著地被減低。這可以-些方式被達成。於一 \丨如，70件22結構可以被設計讀供較高的保持電壓 。保持電3為0_92伏特，但本發明不需受此方面之限制 , 场為目標蚊可比較於臨限電壓。於一實 施例中’保持電壓至少是臨限電壓義％或者較高。 15 以、^果’於—些實施例中，大量地被減低之突然跳回可 〒传至’雖然本發明範_並不限定於此方面。於—些實 ’ _跳回可以被減低至此—限度，使得被強力一口的 ^讀取機射配合於-限電流較高的電频使用。事 貝上’其可能需要對於重置情況提供較大於臨限電壓的讀 取電壓。 結果’比較至習見的方法，其中讀取電麼或者電流必 須保持在臨限電壓或去堂、、ώ 4 、 者電桃之下’較高許多邊限的讀取吁

被得到。於本發明—此眘A 、 二實把例中，讀取電流可以僅藉由於 連續拉I錢！L —組讀取位元的數麵㈣定。該值可 、疋大、力地為重置電流之職百分比，而規劃電流可以變 化至兩倍之值。 1307888 於一實施例中，用於保持電壓之一較高值可以藉由選 擇供用於上方電極20及/或下方電極16之適當的 電阻性電 極材料而被達成’雖然本發明範嘴並不限定於此。於本發 * 月實施例中，例如，鈦石夕氮化物或者碳可以被使用以形 - 5成電極20或者16並且提供一組大約地為0.9伏特至1.5伏特 之保持電壓。記憶體元件22之臨限電壓也可以利用最佳化 相位改變材料18之厚度被修改而能夠比較於其保持電壓。 提供具有大約地等於保持電壓之臨限電壓的元件22可減低 突然跳回之影響。 鲁 10 參看至第3_5圖，於一些實施例中，一組更一致地、更 有效的Ba限電壓可以被達成。於習見的相位改變記憶體元 件中，臨限電壓顯著地隨著在規劃一重置位元時被供應至 元件之重置電流數量而變化。於本發明一些實施例中，其 中元件的標稱臨限電壓是接近其保持電壓，臨限電壓不顯 15著地隨重置規劃電流數量變化，雖然本發明範疇並不限定 於此。於第3圖中，一組位元利用一組相對低之重置規劃電 流而被規劃於重置狀態。於第4圖中，重置位元利用標準重 ® 置規劃電流而被規劃。於第5圖中，重置位元利用相對高之 重置規劃電流而被規劃。結果，保持電壓分別地是117、 •- 20 1.13以及1.17 ’但是臨限電壓分別地是大約為135、1 36、 以及1.36。於本發明一些實施例中，臨限電壓不隨重置規 劃電流而顯著地變化。於—實施例中，臨限電壓在不同的 規劃電流之下不變化多於10%。 如果臨限電壓是相對地固定或者大致上是非改變的， 11 1307888 則讀取電流或者電壓可容易地目標高於臨限電流或者電壓 或者甚至大約地為該臨限電流或者電壓。藉由使保持電壓 接近s品限電壓，保持電壓決定當元件導通時，可以在變化 重置規劃情況時導致一組更穩定的臨限電壓。 5 讀取一組相位改變記憶體元件2 2可如下所述地被達成 。零伏特被施加至被選擇之列上。電流是被強加在一組較 大於或者等於元件22臨限電流之值。如果相位改變記憶體 元件22被設定，則記憶體元件22呈現低電壓、高電流情況 至感應放大器。如果元件22被重置，一組較大的電壓、較 10低之電流情況可以被呈現至感應放大器。感應放大器可比 較產生的行電壓與參考電壓或者比較產生的行電流與參考 電流。 移轉至第6圖，將說明依據本發明實施例之系統5〇〇之 部份。系統500可以被使用於無線裝置中，例如’個人數位 15助理(PDA)、具有無線通訊能力之膝上型輕便電腦或者手提 式電腦、網絡板、無線電話、攜帶型傳呼器、即時通訊裝 置、數位音樂播放器、數位攝影機、或者可以適用於無線 地傳輸及/或接收資訊的其他裝置。系統500可以被使用於 下面任何的系統中：無線社區網路(WLAN)系統、無線個人 20 區域網路(WPAN)系統、或者無線電話(胞式）網路’雖然本 發明之範疇並不限定於此並且亦可以被使用於有線之系統 上。 系統500可以包含經由匯流排550彼此耦合之控制器 510、輸入/輸出（I/O)裝置520(例如，袖珍鍵盤顯示器）、記 12 1307888 憶體530、記憶體控制器56〇以及無線界 ，本發明範疇並不限定於具有任付面540。應該注意到 施例。 或者所有這些構件的實 控制器510可以包含，例如，—組 夕 5數位信號處理器、微控制器或者其類似者者丨組，處理器、 被使用以儲存被傳輸至系統或者利用系統〜體530可以 憶體530同時也可以選擇地被使用以館存：之訊息。記

執行之指令。在系統500操作時，其可以被使用^^510袖 者資料。記憶體530可以藉由—組或者多組不同型式 1〇體而被提供。例如，記M53(mx包含—組^ (任何型式之隨齡取記憶體）、雜魏記憶體(例Π 閃德體）、及/或相位改變記憶體(例如，包含如記 件22之記憶體）。 ‘〆 ⑻裝置520可以被採用以產生訊息。系統可以使用 15無線界面540以藉由射頻(RF)信號而傳輸且接收至且自無 線通訊網路之訊息。無線界面54〇範例可以包含天線或者無

線收發器’例如’雙極天線，雖然本發明範嘴是不限定 此0 於一實施例中，記憶體控制器560和記憶體530可以是 2〇分離式積體電路。記憶體控制器可以導致記憶體53〇被 "貝取。5己丨思體控制器560可發出一組命令以讀取記憶體53〇 。記憶體中之定址電路於線路24上產生電壓/電流。那些電 壓/電流可以被施加至一組被選擇之記憶胞，其之線路24具 有被施加至它們的適當信號。 13

Claims (1)

1307888

十、申請專利範圍： 第93122721號申請案申請專利範圍修正本 97.05.22. 1· 一則於形成相位改變記憶體之方法，其包含下列步驟 形成一組她改變記憶體元件，使其能以跨於該記 憶體元件上且大於或等於該元件之臨限電壓的電壓被 讀取。

2·如申料職圍第丨奴方法，其包含形成—組相位改 10 15 20 己憶體7L件以具有該元件之臨限電壓至少百分之8〇 的保持電壓。 3·如申請專職圍第丨項之方法，其包含形成—組相位改 變§己憶體7L件而具有—臨限麵，其不隨變化高至兩倍 的規劃電流而變化多於百分之1 〇。 4.如申請專利範圍第丨項之方法，其包含形成一組相位改 變。己隐體7G件，其包含在—對電極之間的—種相位改變 材料。

•如申請專利_第4項之方法，其包含藉由㈣氣化物 之下方電極以形成—相位改變材料。 6·—種相位改變記憶體裝置，其包含： —組相位改變記憶體科，其藉由跨於該記憶體 7 :上且大於或等於該元件之臨限電壓的電壓而被讀取 申請專利範圍第6項之裝置，其中該元件包含—組 ^、组下方電極以及在該等電極之間的一組相位 曼材料。 15 1307888

修正替換頁 8·如申請專利範圍第6項之裝置，其 之臨限電塵的至少百分之80之一組保持電壓。 9.如申請專利範圍第6項之裝置，其中該相位改變記憶體 凡件具有隨變化的規劃電流而變化較小於百分之1〇的 5 —組臨限電壓。 〇·如申凊專韻g第7項之裝置，其中該下方電極包含欽 矽氮化物或者碳。 U·—種電腦運算系統，其包含：

一組處理器； —組無線界面，其被麵合至該處理器；以及 一組相位改變記憶體元件，其利用跨於該記憶體元 牛上且大於或等於該元件臨限電壓之一個電壓而被讀 取。 12·如申請專利範圍第1丨項之系統，其中該界面包含一組雙 極天線。

•如申请專利範圍第11項之系統，其中該元件包含一組上 方和一組下方電極以及在該等電極之間的一組相位改 變材料。 •如申凊專利㈣第13項之系統’其中該下方電極包含鈇 矽氮化物。 15.如申料職圍第η項之祕，其巾該元件具有一組保 持電壓’其是該元件臨限電壓的至少百分之8〇。 如申叫專利範圍第丨丨項之系統，其中該相位改變記憶體 元件具有一組臨限電壓，其不隨變化高至兩倍的規劃電 16 1307888 η年r月㈣修正替換頁 流而變化多於百分之10。 17. —種用於讀取記憶體之方法，其包含下列步驟： 利用一電壓來讀取一個相位改變記憶體，該電壓係 跨於該相位改變記憶體上且大於或等於該相位改變記 5 憶體之臨限電壓。 18. 如申請專利範圍第17項之方法，其包含使用一組記憶體 控制器以導致該相位改變記憶體被讀取。 19. 如申請專利範圍第18項之方法，其包含使用一組記憶體 控制器，其是一組與包含該相位改變記憶體之積體電路 10 分離的積體電路。 17