[发明专利]双稳态电阻式随机存取存储器的操作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于可编程电阻式存储器材料的高密度存储器装置，包含金属氧化基材及其它材料，以及此装置制造的方法。

背景技术

读/写光盘广泛使用相变化为主的存储器材料。而此材料至少含有两种固体相，举例来说包含一般的非晶质固体相及一般的晶质固定相。激光脉冲可使读/写光盘的在相位的切换以及在相位改变之后读取的光学特性的材料。

相变化基本存储器材料，如硫属化物基本素材及相似的材料，可藉由应用适合电流电平施加于集成电路使得相位改变。一般非晶质状态较一般晶质固定相具有高电阻系数的特征，而可立即地去感应及指出数据。因这些特性而产生了使用可编程电阻的材料来形成非挥发性电路的兴趣，可以随机存取来读取与写入。

一般是以一低电流操作而使非晶质状态改变至晶质状态。从晶质改变至非晶质，在此处被称为重置(reset)，一般是以一高电流来操作，其包含了一瞬时高密度电流脉冲来熔化或打断晶质结构，而其相变化材料经冷却相变化程序可快速冷却，且至少有一部份相变化结构以非晶质状态稳定。想要将引起相变化材料从晶质状态变成非晶质状态的重置电流强度减至最低。减少重置动作所需的重置电流强度可藉由减少相变化材料及电极的尺寸以及相变化材料与电极之间的接触面积来达成，通过相变化材料而以小绝对电流值达至更高的电流密度。

一种发展方向是在集成电路里形成小孔洞，以及使用小量的可编程电阻式材料来填补此小孔洞。而指出朝向小孔洞发展的专利包含：Ovshinsky于1997年11月11日发表的美国专利案号No.5,687,112“具有尖细接触点的多位单存储单元存储元件(Multibit Single Cell Memory Element HavingTapered Contact)；Zahorik等人于1998年8月4日发表的美国专利案号No.5,789,277“硫化合物存储器装置制造的方法(Method of MakingChalogenide[sic]Memory Device”；Doan等人于2000年11月21日发表的美国专利案号No.6,150,253”可控制的双向相变化半导电存储器装置及制造方法(Controllable Ovonic Phase-Change Semiconductor Memory Deviceand Methods of Fabricating the Same)”。

制造此种装置所产生的问题例如装置需要非常小的尺寸，以及要符合大尺寸存储器装置严谨的规格需要改变制程。如同追寻更大的记体容量，需要相变化存储器的每一存储层储存多位。

发明内容

一双稳态随机存取存储器描述中包含多个可编程电阻式随机存取存储单元，此处每一个可编程电阻式随机存取存储器单元具有多层的存储层堆栈。每一存储层堆栈包含一导电层覆于一可编程电阻式随机存取存储层。根据本发明的第一方面，一第一存储层堆栈覆盖一第二存储层堆栈，以及第二存储层堆栈覆盖一第三存储层堆栈。此第一存储层堆栈包含一第一导电层覆盖于一第一可编程电阻式随机存储层。此第二存储层堆栈包含一第二导电层覆盖于第二可编程电阻式随机存取存储层。第三存储层堆栈包含一第三导电层覆盖于一第三可编程电阻式随机存储层。此第三可编程电阻式随机存取存储层具有一存储面积且大于第二可编程随机存取存储层的存储面积。此第二可编程随机存取存储层具有一存储面积且大于此第一可编程随机存取存储层的存储面积。

每一可编程电阻式随机存取存储层具有多阶的存储状态，例如：第一位用以储存第一状态及第二位用以储存第二状态。第一存储堆栈与第二存储堆栈串连，且第二存储堆栈与第三存储堆栈串联。存储单元具有三个存储堆栈而提供八个逻辑状态(2^k)，此处的k代表存储层或存储堆栈的数量。举例来说，存储堆栈的数量可减少为每一存储单元里两个存储堆栈，或增加为每一存储单元里为四个存储器堆栈，端看存储器的设计。