多狀態存儲單元和存儲數據狀態及形成存儲單元的方法

2023-04-29 17:42:41 1

專利名稱：多狀態存儲單元和存儲數據狀態及形成存儲單元的方法
技術領域：
本發明涉及隨機存取存儲器("RAM"),並尤其涉及能夠以多數 據狀態存儲數據的RAM的存儲單元。
背景技術：
隨機存取存儲器設備是任何計算環境的主要部分。沒有這些存儲
設備，在計算裝置中處理數據幾乎不可能。因此，已經針對隨機存取 計算機存儲器領域進行了大量的研究和開發。這些研究和開發是針對
與計算機存儲器有關的不同領域，例如，加快存取存儲設備所存儲的 數據的速度，設計功耗更低的存儲器，以及設計具有更大數據保持時 間的存儲設備。此外，已經對其花費了大量努力的一個特定的領域是， 增加存儲密度和數據容量。
增加存儲密度的一個傳統方法是減小存儲設備的尺寸，更特別地， 減小存儲單元的尺寸。因此，最近以來存儲單元的尺寸已經大大減小 了。然而，存儲單元的尺寸已經減小到當製造具有這些特徵尺寸的存 儲器設備時，當前的工藝技術正在持續地受到挑戰的程度。作為另一 種解決存儲密度和數據容量的問題方法，已經採用能夠以比傳統的二 進位存儲器更多的狀態存儲數據的存儲器設備進行了實驗。即，傳統 存儲器以二進位格式存儲數據，其中數據存儲為兩個不同數據狀態中
的任意一個。使用多數據狀態存儲器，數據可以存儲為多個不同狀態 中的一個，其中不同狀態的數量大於二。因此使用多數據狀態存儲器，
通常需要更少的存儲單元用來存儲數據。例如，具有四種不同數據狀 態的存儲單元可以代替兩個僅具有兩個不同數據狀態的傳統存儲單 元。因此，存儲相同量的數據將只需要一半的存儲單元。相反，如果 該多數據狀態存儲器的尺寸與傳統存儲單元相同，則相同的區域中可 以存儲兩倍的數據。
在Ovshinsky等的幾個美國專利中提供了在多數據狀態存儲器領 域中所作的工作的例子。例如，在Ovshinsky等的美國專利No.5， 296，716中，描述了將電可寫和可擦除相變材料用於電子存儲器 的應用。此外，在Ovshinsky等的美國專利No. 5， 912， 839中，描述了 對Ovonic存儲器多狀態數字多位存儲器元件進行編程以及在數據存儲 中應用的方法。如其中所描述，包括相變材料的存儲器元件可以通過 使用多個電流脈衝編程，所述相變材料是能夠在通常的非晶和通常的 晶體之間電轉換的材料。在確定存儲元件的數據狀態時，可以通過計
數使存儲器元件的電阻水平回到第一狀態所需要的脈衝數量來識別脈 衝的數量。脈沖的數量代表存儲器元件存儲的數據的數據狀態。如在 前述的專利中進一步描述的，讀存儲器元件的當前狀態的過程是破壞 性的，因此需要在讀之後對該數據重新編程。
在Kozicki等的美國專利中描述了設計多數據狀態存儲器時採用 的另一種方法。如其中所述，由位於兩個電極之間的快離子導體形成 的可編程金屬化單元(PMC)，所述快離子導體是例如硫族化物材料， 其包括含有碌u、硒和碲的化合物。可以通過在兩個電極之間施加電壓 差產生非揮發性金屬樹枝狀晶體。非揮發性樹枝狀晶體的質量改變PMC
的電阻，這可以被用作以多種狀態存儲數據的手段。在前述的專利中 還描述了在不同應用中PMC的各種結構性實例。
雖然多數據狀態和可變電阻存儲器領域已經有了發展，但是可以 理解，在該領域中新的和可替換的方法仍然是可能的。例如，在具有 數據狀態的真正量化的多數據狀態存儲單元領域中的進一步發展。因 此，需要可替換的方法用來以多數據狀態存儲數據。

發明內容
本發明涉及多數據狀態存儲單元，該存儲單元包括由第一導電材 料形成的第一電極層、由第二導電材料形成的第二電極層、以及置於 第 一和第二電極層之間的第 一層金屬摻雜疏族化物材料，該第 一層提 供一種媒質，其中可以形成導電生長以便將第一和第二電極層電耦合 在一起。該存儲單元還包括由第三導電材料形成的第三電極層，以及 置於該第二和第三電極層之間的第二層金屬摻雜疏族化物材料，該第 二層提供一種媒質，其中可以形成導電生長以便將第二和第三電極層 電耦合在一起。


圖1是本發明的一個實施例的截面視圖。
圖2a-c是說明圖1中實施例的操作的截面視圖。 圖3是本發明的另一實施例的截面視圖。
圖4是包括一個或多個本發明的存儲器陣列的典型存儲器設備的 示意框圖。
如同在集成電路領域的傳統表示法一樣，各個層的橫向尺寸和厚 度未按比例畫出，並且可能被放大或縮小以便提高視圖的易讀性。
具體實施例方式
本發明的實施例提供了多狀態存儲單元。下面進行特定的詳細說 明以提供對本發明的充分的理解。然而，本發明可以不使用這些特定 的細節來實踐，這對於本領域的技術人員是很清楚的。在其它方面， 為了避免不必要地混淆本發明，未詳細示出7>知的製造技術、工藝方 法、電路、控制信號和時序協議。
圖1所示的是根據本發明一個實施例的多狀態存儲單元200的一 部分的截面視圖。形成金屬電極層202以提供向其施加電壓的陰極層。 可以理解，金屬層202可以在村底上形成，或者在支撐多狀態存儲單 元200的一層材料上形成。在金屬層202上形成的是金屬摻雜硫族化 物層204，穿過其形成了在施加電壓時到達浮置電極層206的導電鏈 接，這將在下面做更詳細的解釋。此處所指的硫族化物材料包括那些 疏、硒和碲的化合物。摻雜疏族化物的金屬材料通常是I族或n族金 屬，例如銀、銅、鋅及其組合物。浮置電極層206通常由諸如銀的金 屬材料形成。
在浮置電極層206上形成的是另一金屬摻雜硫族化物層208。層 208的材料成份可以但並不必須與層204的相同。如圖2所示，層208 的厚度L大於層204的厚度ti。然而，在本發明的其它實施例中，厚 度L和ti可以接近或近似相同，或者厚度L可以小於L。如下面的詳 細描述，為了適應具有各種厚度的層206和208，各個金屬摻雜硫族化 物層206和208的成份可能需要改變。在金屬摻雜硫族化物層208上 形成的是另一金屬電極層210,該層代表多狀態存儲單元200的陽極。 通常，金屬電極層210和浮置電極層206由相同的材料形成。如圖1所說明的，陰極形成在陽極下方，然而，可以理解，不脫離本發明的 範圍，這兩層的排列可以顛倒。此外，圖1中的垂直取向可以改變， 使得各層沿水平方向形成於橫向彼此間隔的陰極和陽極之間。
可以理解，本領域的普通技術人員公知的很多材料都可用於金屬
摻雜硫族化物層。例如，可以使用硒化鍺的組成物，即G^Sey。示例性 比例為Ge2。Se8。~GeSe的範圍。減，化砷、碲化鍺和硫化鍺的組成物也可 以用於金屬摻雜硫族化物層。類似地，可以用於電極層的材料也是已 知的，例如銀、硒化銀組成物、銅、硒化鍺等。可以理解不脫離本發 明的範圍，與公知材料特性相同的最新開發的材料也可以用於金屬摻 雜發u族化物和電極層。
在操作中，通過以相對數字的方式改變或編程陽極和陰極之間的 總電阻，圖1所示的多狀態存儲單元200能夠存儲多個狀態。然後存 儲單元200的電阻可以被測量或被比較，以確定由存儲單元200存儲 的數據的值。作為電阻可以以相對離散的方式改變的結果，通過存儲 單元200可以存儲多個狀態。
電阻改變是通過形成從金屬電極層202 (即陰極)穿過層204而與 浮置電極層206電接觸的導電生長(conductive growth)，以及形成 從浮置電極206穿過層208而與金屬電極層210(即陽極)電接觸的導 電生長來完成的。導電生長的形成是通過在陰極和陽極之間製造電壓 差實現的，例如通過向陽極施加電壓而使陰極接地。
每次導電生長產生短路時，陽極和陰極之間的電阻變化相對顯著。 最初，如圖2a所示，其中沒有形成導電生長，陽極和陰極之間的電阻 R"u近似等於Ri + R2，其中l是層204的電阻，R2是層208的電阻。然 而，在跨越金屬摻雜硫族化物層202、 210上施加的偏壓的影響下，導 電生長304和308開始分別穿過層204和208形成。當導電生長延伸 穿過層208，並且在浮置電極層206和以層210代表的陽極之間產生短 路時，如圖2b,陽極和陰極之間的電阻Lu變成小於^但大於短路的 值。此時的電阻IUu是可重複的，因此，可以用來代表一種數據狀態。 當導電生長304延伸穿過層204,並在以層202代表的陰極和浮置電極 層206之間產生短路時，電阻R。w再次改變到相對低的電阻，如圖2c 所示。
由存儲單元200提供的R。^的每個不同電阻狀態代表了不同的數據或邏輯狀態。即，第一數據狀態由近似等於總電阻(R1 + R2)的Rcell 表示，第二數據狀態由值在Ri和低電阻之間的R。w表示，這在通過導 電生長308使浮置電極層206到金屬電極層210短路時發生，以及第 三數據狀態由低電阻表示，在通過導電生長304使金屬電極層202到 浮置電極層206短路之後。耦合到存儲單元200的讀電路測量存儲單 元200的電阻，以確定由該單元存儲的數據。
導電生長304和308的生長依賴於施加到存儲單元200的電場的 取向。即，如迄今為止所討論的，施加到金屬電極層210 (即陽極)的 電壓相對於施加到金屬電極層202 (即陰極)的電壓是正的，因此，生 長方向是從金屬電極層202到浮置電極層206。類似地，導電生長將從 浮置電極層206延伸至金屬電極層210形成。然而，可以理解，以相 反極性施加電壓將會減少無論哪一種先前形成的導電生長。因此，通 過在讀或寫操作期間改變施加到存儲單元200的電壓極性，以改變存 儲單元200的電阻，存儲單元200可以被編程以存儲不同的數據狀態。
可以進一步理解，與本發明的實施例一起使用的讀和寫電路對於 本領域的普通技術人員是公知的，並且可以使用傳統的電路和設計實 現。還可以進一步理解，此處的描述足以使本領域的普通技術人員能 夠實踐本發明。
如圖2b所示，向陽極施加電壓不僅引起導電生長304的形成，也 引起導電生長308的形成，然而，由於層208的厚度大於層204的的 厚度，對於給定的跨越多狀態存儲單元200施加的電壓，跨越層208 的電壓大於跨越層204的電壓。因此，在陰極到浮置電極206短路之 前，浮置電極206到陽極短路。通過持續向陽極施加電壓，導電生長 304最終在陰極和浮置電極206之間產生短路，因此將陽極和陰極之間 的電阻減小至低電阻。此外，可以理解，在導電生長308使浮置電極 2 06到陽極210短路之後，跨越陽極和陰極的電阻R。。u在Ri和短路之間， 這是因為隨著導電生長304向浮置電極206生長，層204的電阻實際 是減小的。然而，此時的電阻R"u仍然是可重複的，並且足以不同於 短路狀態，以致多狀態存儲單元的傳統讀電路能夠始終一致地識別該 數據狀態。
可以進一步理解，可以通過改變層204和/或208的厚度調整電阻 的範圍，或者從一個電阻相對於另一個的轉變。此外，如前所述，層204和208的金屬摻雜疏族化物材料的成份也可以被調整，以調節電阻 中的轉變點。
圖3中示出的是根據本發明的實施例的存儲單元400的一部分。 存儲單元400包括與存儲單元200 (圖1)的層相似的層。然而，除了 關於存儲單元200所描述的層外，存儲單元400還包括第二浮置電極 420和笫三金屬摻雜疏族化物層424。第二浮置電極和第三金屬摻 雜硫族化物層424的增加使得存儲單元400能夠具有在其中存儲數據 的附加存儲狀態。即，存儲單元200提供三種不同的狀態或電阻 Rcell: (R2+RJ 、 Ri與低電阻之間、以及低電阻，而存儲單元400提供四 種不同的狀態或R""的電阻(R3+R2+ RJ、 (R2+RJ與^之間、Ri和低 電阻之間、以及低電阻。如前所討論的，每個不同的電阻水平可以用 於代表一種不同的數據狀態。
如前討論所說明的，可以理解，包含由金屬摻雜硫族化物材料和 浮置電極形成的附加層可以用來製作具有比存儲單元400所提供的狀
態甚至更多狀態的存儲單元。
圖4示出了包括存儲器陣列502的存儲器設備500,其中存儲器陣 列502具有根據本發明的實施例的存儲單元。存儲器設備500包括命 令解碼器506，該命令解碼器506通過命令總線508接收存儲命令並產 生相應的控制信號。行或列地址通過地址總線520施加到存儲器設備 500，並分別通過行地址解碼器524或列地址解碼器5"解碼。存儲器 陣列讀/寫電路530耦合到陣列520，以便通過輸入-輸出數據總線540 向數據輸出緩沖器534提供讀數據。通過數據輸入緩衝器544和存儲 器陣列讀/寫電路530向存儲器陣列施加寫數據。
從前述內容可以理解，儘管這裡為了說明目的描述了本發明的具 體實施例，但是在不脫離本發明的主旨和範圍的前提下，可以進行各 種修改。因此，本發明僅由附屬的權利要求所限定。
權利要求
1. 一種多狀態存儲單元，包括第一電極；第二電極；可變電阻材料的第一層，設置在第一和第二電極之間，該第一層提供了用於對第一和第二電極之間的電阻編程的媒質；第三電極；以及可變電阻材料的第二層，設置在第二和第三電極之間，該可變電阻材料的第二層提供了用於對第二和第三電極之間的電阻編程的媒質。
2. 如權利要求1所述的存儲單元，其中可變電阻材料的第一和第二 層的至少 一層包括硫族化物材料。
3. 如權利要求2所述的存儲單元，其中可變電阻材料的第一和第二 層包括相同的硫族化物材料。
4. 如權利要求2所述的存儲單元，其中硫族化物材料是金屬摻雜硫 族化物材料。
5. 如權利要求2所述的存儲單元，其中硫族化物材料的第一或第二 層的至少一層是從包括硒化鍺、硫化砷、碲化鍺和硫化鍺的組中選出的 材料。
6. 如權利要求2所述的存儲單元，其中硫族化物材料包括金屬摻雜 玻璃材料。
7. 如權利要求1所述的存儲單元，其中第二電極製成為浮置電極。
8. 如權利要求1所述的存儲單元，進一步包括 第四電極；以及可變電阻材料的第三層，設置在第三和第四電極之間，該第三層提 供了用於對第三和第四電極之間的電阻編程的媒質。
9. 如權利要求8所述的存儲單元，其中笫一電極位於第二電極下面， 第二電極位於第三電極下面，而第三電極位於第四電極下面。
10. 如權利要求8所述的存儲單元，其中第二和笫三電極製成為浮 置電極。
11. 如權利要求1所述的存儲單元，其中第一電極連接到第一電壓 線上，第三電極連接到第二電壓線上，其中第一電壓線相對於第二電壓 線為正電壓線。
12. 如權利要求1所述的存儲單元，其中第一電極連接到第一電壓 線上，第三電極連接到第二電壓線上，其中第一電壓線相對於第二電壓 線為負電壓線。
13. 如權利要求1所述的存儲單元，其中可變電阻材料的第一層位 於第二電極下面，而第二電極位於可變電阻材料的第二層下面。
14. 如權利要求1所述的存儲單元，其中可變電阻材料的第一層位 於橫向靠近第二電極處，而第二電極位於橫向靠近可變電阻材料的第二 層處。
15. 如權利要求1所述的存儲單元，其中第二層的厚度大於第一層 的厚度。
16. 如權利要求1所述的存儲單元，其中第一、第二和第三電極的 至少一個電極包括銀。
17. —種存儲器設備，包括包括以行和列排列的多個存儲單元的存儲器陣列，至少一個存儲單元是權利要求1至16中任一個所述的存儲單元，其中第一電極連接到各自的行，而第三電極連接到各自的列；行地址解碼器，用於選擇對應於行地址的存儲單元的行； 列地址解碼器，用於選擇對應於列地址的存儲單元的列； 讀和寫電路，連接到存儲器陣列，用於從由行和列地址解碼器選擇的存儲單元中讀取數據和將數據寫入該存儲單元中；耦合在所述讀和寫電路與所述存儲器設備的外部數據終端之間的數據通路；以及命令解碼器，可操作地響應施加於所述存儲器設備上的存儲命令而 產生控制信號。
18. 用於形成多狀態存儲單元的一種方法，包括 形成第一電極；形成第二電極；形成可變電阻材料的第一層，其中該可變電阻材料的第一層處於第 一和第二電極之間； 形成第三電極；形成可變電阻材料的第二層，其中該可變電阻材料的第二層處於第 二和第三電極之間。
19. 如權利要求18所述的方法，其中可變電阻材料的第一層形成為 提供用於對第一和第二電極之間的電阻編程的媒質，而可變電阻材料的 第二層形成為提供用於對第二和第三電極之間的電阻編程的媒質。
20. 如權利要求18所述的方法，其中可變電阻材料的第一和第二層 的至少一層形成為包括硫族化物材料。
21. 如權利要求18所述的方法，其中可變電阻材料的第一層形成為 與可變電阻材料的第二層有不同的厚度。
22. 如權利要求18所述的方法，進一步包括 形成第四電極；以及形成可變電阻材料的第三層，其中該可變電阻材料的第三層處於第 三和第四電極之間。
23. 如權利要求22所述的方法，其中可變電阻材料的第三層形成為 提供用於對第三和第四電極之間的電阻編程的媒質，
24. 如權利要求18所述的方法，其中第一電極處於可變電阻材料的 第一層下面，而可變電阻材料的第一層處於第二電極下面，第二電極處 於可變電阻材料的笫二層下面，而可變電阻材料的第二層處於第三電極 下面。
25. 如權利要求18所述的方法，其中第一電極處於可變電阻材料的 第一層附近，而可變電阻材料的第一層處於第二電極附近，第二電極處 於可變電阻材料的第二層附近，而可變電阻材料的第二層處於第三電極 附近。
全文摘要
可編程多數據狀態存儲單元包括由第一導電材料形成的第一電極層、由第二導電材料形成的第二電極層、以及置於該第一和第二電極層之間的第一層金屬摻雜硫族化物材料。該第一層提供一種媒質，其中可以形成導電生長以便將第一和第二電極層電耦合在一起。該存儲單元還包括由第三導電材料形成的第三電極層，以及置於該第二和第三電極層之間的第二層金屬摻雜硫族化物材料，該第二層提供一種媒質，其中可以形成導電生長以便將第二和第三電極層電耦合在一起。
文檔編號G11C17/14GK101414659SQ20081017389
公開日2009年4月22日 申請日期2003年2月5日 優先權日2002年2月20日
發明者T·L·吉爾頓 申請人:微米技術有限公司