[发明专利]一种存储器元件及其操作方法

说明书

技术领域

本发明是关于高密度存储器元件及此元件的操作方法，基于包括硫族 化合物材料在内的相变存储材料及其它可编程电阻材料。

背景技术

相变存储材料，诸如硫族化合物材料及类似材料可在集成电路中通过 施加电流而在非晶态与结晶态之间进行相变。大致上非晶态的特征在于其 电阻高于结晶态，这种情况可轻易地被感测而储存数据。这些属性有利于 使用可编程电阻材料来形成以随机存取方式读取及写入的非易失存储器 电路。

从非晶态到结晶态的变化一般是可透过低电流操作。相反地，从结晶 态到非晶态的变化(在本发明中称为“复位”)一般是需要高电流来达成，包 括短时间的高电流密度脉冲来熔化或击穿晶质结构，之后相变材料迅速地 冷却，结束相变过程并且允许至少一部份相变材料稳定于非晶态。

在相变存储器中，通过在相变材料的主动区域内引起非晶态与结晶态 之间的转换来储存数据。图1是具有二种状态中的一个(储存单个位数据) 的存储单元的曲线图，其中低电阻设置(编程)状态100及高电阻复位(擦除) 状态102分别具有不重叠的电阻范围。

低电阻设置状态100的最高电阻R₁与高电阻复位状态102的最低电 阻R₂之间的差定义为读取范围101，电阻区隔带101用于区别处于设置状 态100的存储单元与处于复位状态102的存储单元。通过确定存储单元的 电阻对应于低电阻状态100或是对应于高电阻状态102来确定存储单元内 储存的数据，例如通过测量存储单元电阻高于或是低于电阻区隔带101中 的临界电阻值R_SA103。

为了可靠地区别复位状态102和设置状态100，重要的是维持相对大 的电阻区隔带101。然而，已经观察到处于复位状态102的某些相变存储 单元可能会退化成所谓的“拖尾位(tailing bit)”效应，其中存储单元的电阻 随时间提前降低到临界电阻值R_SA103以下，导致这些存储单元的数据保 持问题以及位错误。错误修正编码(Error Correction Coding，ECC)可用于解 决拖尾位问题，但需要以写入效率、读取速度以及芯片尺寸为代价。

因而，希望提供一种在没有ECC的情况下解决这些数据保持问题并 且产生改良的数据储存效能的存储单元结构以及这些结构的操作方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的一个目的在于提供一种存储器元件，包括存储单 元，此存储单元包括第一电极、第二电极以及具有沿第一电极与第二电极 之间的电极间电流路径串联排列的第一主动区域及第二主动区域的相变 材料。存储器元件包括驱动电路，适于施加驱动电压或电流至存储单元以 储存位。驱动电压或电流包括第一驱动电压或电流，适于通过在第一主动 区域及第二主动区域内均产生高电阻条件而在存储单元内建立高电阻状 态，以在存储单元内储存位的第一值。高电阻状态有一最小电阻，该最小 电阻代表至少一主动区域处于高电阻条件。驱动电压或电流还包括第二驱 动电压或电流，适于通过在第一主动区域及第二主动区域内均产生低电阻 条件而在存储单元内建立低电阻状态，以在存储单元内储存位的第二值。 低电阻状态具有储存第一主动区域及第二主动区域均处于低电阻条件的 最大电阻。存储器元件还包括感测电路，以通过确定存储单元的电阻对应 于低电阻状态或是对应于高电阻状态而感测位值。

本发明的另一个目的在于提供一种存储单元的操作方法，此存储单元 包括第一电极、第二电极以及具有沿第一电极与第二电极之间的电极间电 流路径串联排列的第一主动区域及第二主动区域的相变材料。此方法包括 确定要储存于存储单元内的位的数据值。如果数据值是第一值，则施加第 一驱动电压或电流于存储单元，第一驱动电压或电流适于通过在第一主动 区域及第二主动区域内均产生高电阻条件而在存储单元内建立高电阻状 态，以储存位的第一值。高电阻状态具有储存至少一主动区域处于高电阻 条件的最小电阻。如果数据值是第二值，则施加第二驱动电压或电流，第 二驱动电压或电流适于通过在第一主动区域及第二主动区域内均产生低 电阻条件而在存储单元内建立低电阻状态，以储存位的第二值。此方法包 括通过确定存储单元的电阻对应于低电阻状态或是高电阻状态来确定储 存于存储单元内的位的数据值。