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Dokumentenidentifikation DE102005055652A1 20.07.2006
Titel Mehrimpuls-Rücksetz-Schreibschema für Phasenwechselspeicher
Anmelder Infineon Technologies AG, 81669 München, DE
Erfinder Happ, Thomas, Dr., Tarrytown, N.Y., US
Vertreter Bosch, Graf von Stosch, Jehle Patentanwaltsgesellschaft mbH, 80639 München
DE-Anmeldedatum 22.11.2005
DE-Aktenzeichen 102005055652
Offenlegungstag 20.07.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 20.07.2006
IPC-Hauptklasse G11C 13/00(2006.01)A, F, I, 20060123, B, H, DE
Zusammenfassung Speicherzellvorrichtung und Verfahren mit einer Speicherzelle und ersten und zweiten Schreibimpulssignalen. Die Speicherzelle weist Phasenwechselmaterial auf, das gesetzt (set) und zurückgesetzt (reset) werden kann. Die ersten und zweiten Schreibimpulssignale werden für eine einzige Rücksetz-Operation der Speicherzelle verwendet. Das erste Schreibimpulssignal erhitzt und schmilzt einen ersten Teil des Phasenwechselmaterials der Speicherzelle. Das zweite Schreibimpulssignal erhitzt und schmilzt einen zweiten Teil des Phasenwechselmaterials der Speicherzelle.

Beschreibung[de]
Hintergrund

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf elektrische Phasenwechselspeicher. Insbesondere werden ein System und ein Betriebsverfahren für Phasenwechselspeicher bereitgestellt, die ein Mehrimpuls-Rücksetz-Schreibschema verwenden. Phasenwechselmaterialien können wenigstens zwei unterschiedliche Zustände aufweisen. Daher kann Phasenwechselmaterial in einer Speicherzelle zum Speichern eines Datenbits verwendet werden. Die Zustände eines Phasenwechselmaterials können als amorphe und kristalline Zustände bezeichnet werden. Diese Zustände können dadurch unterschieden werden, dass der amorphe Zustand im Allgemeinen einen höheren Widerstand aufweist als der kristalline Zustand. Im Allgemeinen weist der amorphe Zustand eine ungeordnetere Atomstruktur auf, während der kristalline Zustand ein geordnetes Gitter aufweist.

Der Phasenwechsel in den Phasenwechselmaterialien kann reversibel veranlasst werden. Auf diese Weise kann der Speicher im Ansprechen auf Temperaturwechsel vom amorphen in den kristallinen Zustand und umgekehrt wechseln. Die Temperaturwechsel, denen das Phasenwechselmaterial unterworfen ist, können auf vielfältige Art und Weise bewirkt werden. Beispielsweise kann ein Laser auf das Phasenwechselmaterial gerichtet werden, kann Strom oder Spannung durch das Phasenwechselmaterial getrieben werden, oder kann Strom oder Spannung durch eine Widerstands-Heizvorrichtung nahe des Phasenwechselmaterials zugeführt werden. Bei jedem dieser Verfahren verursacht die gesteuerte Erwärmung des Phasenwechselmaterials einen steuerbaren Phasenwechsel in dem Phasenwechselmaterial.

Wenn ein Phasenwechselspeicher einen Speicherarray aufweist, der eine Vielzahl von Speicherzellen umfasst, die aus Phasenwechselspeichermaterial bestehen, kann der Speicher so programmiert werden, dass er Daten unter Verwendung der Speicherzustände des Phasenwechselmaterials speichert. Eine Art und Weise, Daten aus einer oder in eine derartige Phasenwechsel-Speichervorrichtung auszulesen oder zu schreiben ist es, den Strom (oder die Spannung), der (die) durch das Phasenwechselmaterial geleitet wird, zu steuern. Derartiges Steuern von Strom oder Spannung kann entsprechend auch die Temperatur in jeder Speicherzelle steuern. Typischerweise neigt, wenn Strom durch das Phasenwechselmaterial getrieben wird, die induzierte Wärme dazu, sich in der Mitte der Zelle zu konzentrieren. Dies kann zu beträchtlicher Überhitzung in der Mitte des Phasenwechselmaterials führen und somit die Zuverlässigkeit der Vorrichtung negativ beeinflussen.

Aus diesem und weiteren Gründen besteht ein Bedarf an der vorliegenden Erfindung.

Zusammenfassung

Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt eine Speicherzellvorrichtung und ein Verfahren mit einer Speicherzelle und ersten und zweiten Schreibimpulssignalen zur Verfügung. Die Speicherzelle weist ein Phasenwechselmaterial auf, das gesetzt (set) und zurückgesetzt (reset) werden kann. Der erste und der zweite Schreibimpuls werden für eine einzige Rücksetz-Operation der Speicherzelle verwendet. In einem Fall erhitzt und schmilzt das erste Schreibimpulssignal einen ersten Teil des Phasenwechselmaterials der Speicherzelle. Das zweite Schreibimpulssignal erhitzt und schmilzt einen zweiten Teil des Phasenwechselmaterials der Speicherzelle.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die beigefügten Zeichnungen tragen zum weiteren Verständnis der vorliegenden Erfindung bei; auf sie wird in der vorliegenden Beschreibung Bezug genommen und sie stellen einen Teil der vorliegenden Beschreibung dar. Die Zeichnungen zeigen die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Grundlagen der Erfindung zu erläutern. Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und viele der beabsichtigten Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich ohne weiteres aus dem besseren Verständnis unter Bezug auf die nachfolgende Beschreibung. Die Elemente der Zeichnungen sind in Bezug zueinander nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen entsprechende ähnliche Teile.

1 zeigt ein Blockdiagramm einer Speicherzellvorrichtung.

2 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung von Temperatur zu Radius für verschiedene Impulse zeigt, die durch eine Phasenwechselspeicherzelle getrieben werden.

3 zeigt eine Querschnittsansicht durch eine Phasenwechselspeicherzelle mit Temperatur-Konturdiagramm.

4 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung von Temperatur zu Radius für zwei Impulse zeigt, die durch eine Phasenwechselspeicherzelle gemäß der vorliegenden Erfindung getrieben werden.

5A zeigt eine Querschnittsansicht durch eine Phasenwechselspeicherzelle mit einem Temperatur-Konturdiagramm, nachdem ein einzelner Impuls durchgelaufen ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

5B zeigt eine Querschnittsansicht durch eine Phasenwechselspeicherzelle mit einem Temperatur-Konturdiagramm, nachdem ein zweiter Impuls durchgelaufen ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Beschreibung

In der folgenden detaillierten Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil der Beschreibung darstellen, und in denen spezifische Ausführungsformen, in denen die Erfindung praktiziert werden kann, zeichnerisch dargestellt sind. In diesem Zusammenhang wird richtungweisende Terminologie wie z.B. „oben", „unten", „vorne", „hinten", „vorderer", „hinterer", etc. im Hinblick auf die Ausrichtung der beschriebenen Figur(en) verwendet. Da Teile der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in vielen verschiedenen Ausrichtungen positioniert werden können, wird die richtungweisende Terminologie zu Zwecken der Illustration eingesetzt und stellt keineswegs eine Einschränkung dar. Selbstverständlich können andere Ausführungsformen verwendet werden, und es können bauliche oder logische Veränderungen vorgenommen werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die nachfolgende ausführliche Beschreibung ist daher nicht in einschränkendem Sinne zu verstehen, und der Umfang der vorliegenden Erfindung wird durch die beigefügten Ansprüche definiert.

1 zeigt ein Blockdiagramm einer Speicherzellvorrichtung 5. Die Speicherzellvorrichtung 5 weist eine Schreibimpuls-Erzeugungsvorrichtung 6, eine Verteilerschaltung 7 und Speicherzellen 8a, 8b, 8c und 8d auf. Bei einer Ausführungsform sind die Speicherzellen 8a8d Phasenwechselspeicher, die auf einem Phasenübergang von amorph zu kristallin basieren. Bei einer Ausführungsform erzeugt die Schreibimpuls-Erzeugungsvorrichtung 6 Strom- oder Spannungsimpulse, die über die Verteilerschaltung 7 gesteuert auf die Speicherzellen 8a8d gerichtet werden. Bei einer Ausführungsform besteht die Verteilerschaltung 7 aus einer Vielzahl von Transistoren, die Strom- oder Spannungsimpulse gesteuert an den Speicher richten, und bei einer anderen Ausführungsformen aus einer Vielzahl von Transistoren, die Strom- oder Spannungsimpulse gesteuert an Heizvorrichtungen in der Nähe des Speichers richten.

Bei einer Ausführungsform bestehen die Speicherzellen 8a8d aus Phasenwechselmaterialien, die unter dem Einfluss eines Temperaturwechsels vom amorphen Zustand in den kristallinen Zustand oder vom kristallinen Zustand in den amorphen Zustand wechseln können. Der amorphe und der kristalline Zustand definieren dabei zwei Bitzustände zum Speichern von Daten in der Speicherzellvorrichtung 5. Die beiden Bitzustände der Speicherzellen 8a8d unterscheiden sich signifikant in ihrem elektrischen Widerstand. Im amorphen Zustand zeigen die Phasenwechselmaterialien deutlich höheren Widerstand als im kristallinen Zustand. Auf diese Weise kann der einer bestimmten Speicherzelle zugeordnete Bitwert durch Lesen des Zellwiderstands ermittelt werden.

Um eine Speicherzelle 8a8d in der Speicherzellvorrichtung 5 zu programmieren, erzeugt die Schreibimpuls-Erzeugungsvorrichtung 6 einen Strom- oder Spannungsimpuls zum Erhitzen des Phasenwechselmaterials in der Ziel-Speicherzelle. Bei einer Ausführungsform erzeugt die Schreibimpuls-Erzeugungsvorrichtung 6 einen geeigneten Strom- oder Spannungsimpuls, und die Verteilerschaltung 7 verteilt den Impuls an die entsprechende Ziel-Speicherzelle 8a8d. Die Höhe und Dauer des Strom- oder Spannungsimpulses wird in Abhängigkeit davon gesteuert, ob die Speicherzelle gesetzt (set) oder zurückgesetzt (reset) ist. Im Allgemeinen heizt ein „gesetzt" („set") einer Speicherzelle das Phasenwechselmaterial der Ziel-Speicherzelle genügend lange über ihre Kristallisationstemperatur (jedoch unter ihre Schmelztemperatur) genügend, um den kristallisierten Zustand zu erreichen. Im Allgemeinen heizt ein „zurückgesetzt" („reset") einer Speicherzelle das Phasenwechselmaterial der Ziel-Speicherzelle schnell über die Schmelztemperatur auf und schreckt dann das Material schnell ab, wodurch der amorphe Zustand erreicht wird.

Um die Ziel-Schmelztemperatur zu erreichen, die benötigt wird, um eine Speicherzelle zurückzusetzen, wird ein Strom- oder Spannungsimpuls relativ großer Höhe und kurzer Dauer von der Schreibimpuls-Erzeugungsvorrichtung 6 an die Ziel-Speicherzelle 8a8d gesendet, was dazu führt, dass das Phasenwechselmaterial schmilzt und während des nachfolgenden Abschreckens amorphisiert. Um die Ziel-Kristallisationstemperatur zum Setzen einer Speicherzelle zu erreichen, wird ein relativ niedrigerer Strom- oder Spannungsimpuls relativ längerer Dauer von der Schreibimpuls-Erzeugungsvorrichtung 6 an die Ziel-Speicherzelle 8a8d gesendet, wodurch das Phasenwechselmaterial über die Kristallisationstemperatur erhitzt wird, was seinen Widerstand herabsetzt.

Auf diese Weise werden für jede Speicherzelle zwei Zustände definiert. Im Rücksetz-Zustand ist das Phasenwechselmaterial amorph und hat einen hohen Widerstand. Im Setz-Zustand befindet sich das Phasenwechselmaterial im kristallinen Zustand mit niedrigerem Widerstand.

2 zeigt eine graphische Darstellung, in der die Temperatur von Phasenwechselmaterial in einer Speicherzelle in Bezug auf den Radius des Phasenwechselmaterials verglichen wird. Eine Vielzahl von Impulssignalen ist gezeigt, und jeder Impuls wird durch eine Speicherzelle getrieben, die Phasenspeichermaterial anfangs im kristallinen Zustand aufweist. In der Darstellung steigt die Temperatur an der vertikalen Achse. In einigen Konfigurationen erwärmt sich das Phasenwechselmaterial in einer Speicherzelle von der Mitte nach außen. Die Mitte des Phasenwechselmaterials einer Speicherzelle ist links gezeigt, und die Bewegung entlang der horizontalen Achse nach rechts fällt zusammen mit der Bewegung von der Mitte des Phasenwechselmaterials zu dessen äußerem Rand. Erste bis fünfte beispielhafte Impulssignale 12, 14, 16, 18 und 20 sind dargestellt. Der erste Impuls 12 weist den niedrigsten Strom bzw. die niedrigste Spannung auf, und der fünfte Impuls 20 den/die höchste(n), wie unten näher erläutert werden wird. Die Schmelztemperatur des Phasenwechselmaterials in einer Speicherzelle ist mit der horizontalen Linie Tmelt gezeigt.

3 zeigt eine Querschnittsansicht durch eine beispielhafte Speicherzelle 30, durch die die ersten bis fünften beispielhaften Impulssignale 12, 14, 16, 18 und 20 aus 2 getrieben werden können. Bei einer Ausführungsform weist die Speicherzelle 30 einen ersten Kontakt 32, einen zweiten Kontakt 36, ein Phasenwechselmaterial 34 und Seitenisolatoren 38 auf. Die ersten und zweiten Kontakte 32 und 36 können so gesteuert werden, dass sie einen Impuls durch das Phasenwechselmaterial 34 treiben und es so selektiv erhitzen. Der zweite Kontakt kann beispielsweise an einen Transistor gekoppelt sein, der einen Strom- oder Spannungsimpuls schaltet und dadurch selektiv Strom durch das Phasenwechselmaterial 34 treibt, und der erste Kontakt 36 kann an eine Wortleitung oder einen ähnlichen Bestandteil gekoppelt sein.

Während einer Rücksetz-Operation schmilzt und amorphisiert das Anlegen erster, zweiter, dritter, vierter oder fünfter beispielhafter Impulssignale 12, 14, 16, 18 oder 20 das Material des Phasenwechselmaterials 34. Um das Phasenwechselmaterial 34 geeignet zu schmelzen und das Rücksetzen durchzuführen, muss ein Impuls mit ausreichender Energie gewählt werden. Dies bedeutet typischerweise, dass die Mitte des Phasenwechselmaterials 34 überhitzt wird. Für die in 2 gegebenen beispielhaften Impulssignale 1220 kann das erste Signal 12 nicht verwendet werden, da es nicht genügend Energie aufweist, um auch nur die Mitte des Phasenwechselmaterials 34 zu schmelzen, da seine Spitzentemperatur unter der Schmelztemperatur Tmelt des Phasenwechselmaterials liegt. Wenn während der Rücksetz-Operation eine ungenügende Menge von Phasenwechselmaterial 34 amorphisiert wird, kann die Speicherzelle 30 nur einen kleinen Leserand anzeigen, der ein schlechtes Lesesignal erzeugt. Das fünfte Signal 20 hat mehr Energie und schmilzt sowohl die Mitte des Phasenwechselmaterials 34 als auch einen Teil des Radius, der sich von der Mitte nach außen bewegt. Durch die Auswahl dieses Impulssignals wird jedoch die Mitte des Phasenwechselmaterials 34 überhitzt, wodurch Energie verschwendet wird und die Ablösung oder chemische Reaktionen des Materials riskiert werden. Eine derartige Phasentrennung des Materials kann zu irreparablen Schäden an der Speicherzelle 30 führen.

Die gestrichelten Linien 40, 42 und 44 in 3 zeigen ausgewählte Bereiche, an denen die Speicherzelle 30 mit einem partiellen Temperaturgradienten überlegt ist. Da sich das Phasenwechselmaterial in einer Speicherzelle typischerweise von der Mitte nach außen erwärmt, ist die Temperatur in dem Bereich 44 am höchsten, während die Temperatur außerhalb des Bereichs 40 am niedrigsten ist, wobei sich die Temperatur dazwischen graduell ändert. Wird ein Impuls mit hoher Energie verwendet, beispielsweise das fünfte Signal 20, kann die Temperatur in dem mit 44 angegebenen Temperaturbereich viel höher sein als die Schmelztemperatur, wodurch Energie in diesem Bereich verschwendet und die Ablösung des Materials dort riskiert wird. Um die Speicherzelle 30 zurückzusetzen, muss die Temperatur in dem Bereich 42 die Schmelztemperatur Tmelt des Phasenwechselmaterials erreichen, und somit ist, wenn diese erreicht ist, die Temperatur in dem Bereich 40 höher als die Schmelztemperatur Tmelt

4 zeigt eine graphische Darstellung, in der die Temperatur von Phasenwechselmaterial in einer Speicherzelle in Bezug auf den Radius des Phasenwechselmaterials verglichen wird. Ein erstes Impulssignal 52 und ein zweites lmpulssignal 54 werden gezeigt. Jeder Impuls wird erfindungsgemäß während einer einzigen Reset-Operation durch eine Speicherzelle, die Phasenwechselmaterial aufweist, getrieben. Auf diese Weise wird ein Rücksetzen nicht mit einem einzigen Impuls mit hohem Strom oder hoher Spannung durchgeführt, sondern vielmehr mit einer Vielzahl von Impulsen mit niedrigerem Strom oder niedrigerer Spannung, zwischen denen ausreichend Zeit liegt, um eine partielle Amorphisierung des Phasenwechselmaterials zu ermöglichen.

Wie in 2 steigt in der graphischen Darstellung der 4 die Temperatur an der vertikalen Achse. Außerdem ist die Mitte des Phasenwechselmaterials einer Speicherzelle links dargestellt, und die Bewegung entlang der horizontalen Achse nach rechts fällt zusammen mit der Bewegung von der Mitte des Phasenwechselmaterials zu dessen äußerem Rand. Erste und zweite Rücksetz-Impulse 52 und 54 sind gezeigt. Der erste Impuls 52 ist der erste Impuls, der in einer einzigen Rücksetz-Operation verwendet wird, und der zweite Impuls 54 ist der zweite. Für den Fachmann ist es selbstverständlich, dass zusätzliche Impulse in der einzigen Rücksetz-Operation ebenfalls in Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Die Schmelztemperatur des Phasenwechselmaterials in einer Speicherzelle wird mit der horizontalen Linie Tmelt dargestellt.

5A zeigt einen Querschnitt durch eine beispielhafte Speicherzelle 60, durch die die ersten und zweiten Rücksetz-Impulssignale 52 und 54 aus 4 getrieben werden. Bei einer Ausführungsform weist die Speicherzelle 60 einen ersten Kontakt 62, einen zweiten Kontakt 66, ein Phasenwechselmaterial 64 und Seitenisolatoren 68 auf. Die ersten und zweiten Kontakte 62 und 66 können so gesteuert werden, dass sie einen Impuls durch das Phasenwechselmaterial 64 treiben und es somit selektiv erhitzen. Der zweite Kontakt kann beispielsweise an einen Transistor gekoppelt sein, der einen Strom- oder Spannungsimpuls schaltet und dadurch selektiv Strom durch das Phasenwechselmaterial 64 treibt, und der erste Kontakt 66 kann an eine Wortleitung oder einen ähnlichen Bestandteil gekoppelt sein.

Während einer einzigen Reset-Operation wird das erste Impulssignal 52 durch das Phasenwechselmaterial 64 getrieben, um wenigstens einen Teil davon zu schmelzen. Der Energiepegel in dem ersten Impuls 52 ist so gewählt, dass er hoch genug ist, um einen Teil des Phasenwechselmaterials 64 zu schmelzen, jedoch nicht das gesamte Volumen. Dieser geschmolzene Teil wird dann während des folgenden kurzen Abschreckens amorphisiert. Auf diese Weise wird während des nachfolgenden Abkühlens nur ein kleiner Unterbereich des Phasenwechselmaterials 64 amorphisiert. Dieser Unterbereich von amorphisiertem Material hat einen viel höheren Widerstand (z.B. 3 Größenordnungen höher) als die umgebenden kristallinen Bereiche. In 5A ist dieser kleine Unterbereich des Phasenwechselmaterials 64, der geschmolzen und amorphisiert ist, der Bereich 74 in der Mitte. Die Temperatur ist in den konzentrischen Bereichen 72 und 70 progressiv niedriger, so dass in diesen Bereichen mit dem ersten Impuls 52 die Schmelztemperatur Tmelt nicht erreicht wird. Das erste Impulssignal 52 ist auch in 4 nahe der Mitte des Phasenwechselmaterials 64 über der Schmelztemperatur Tmelt des Phasenwechselmaterials gezeigt.

Als nächstes wird während der einzigen Reset-Operation das zweite Impulssignal 54 durch das Phasenwechselmaterial 64 getrieben, um wieder Material zu schmelzen und zu amorphisieren. Da der gerade durch das erste Impulssignal 52 erhitzte und abgeschreckte Bereich einen viel höheren Widerstand hat als die umgebenden Bereiche, wird das zweite Impulssignal 54 in die Bereiche niedrigeren Widerstands geleitet und schmilzt und amorphisiert Material in diesen Bereichen. In 5B sind diese Bereiche relativ niedrigeren Widerstands in dem Phasenwechselmaterial 64, die durch das zweite Impulssignal 55 geschmolzen werden, die Bereiche 88 und 89. Wiederum ist die Temperatur in den konzentrischen Bereichen, die von den Mitten 88 und 89 ausgehen, z.B. den Bereichen 86, 84, 82 und 80, progressiv niedriger. Das zweite Impulssignal 52 ist auch in 4 weiter von der Mitte des Phasenwechselmaterials 64 entfernt über der Schmelztemperatur Tmelt des Phasenwechselmaterials gezeigt.

Auf diese Weise kann das Phasenwechselmaterial 64 während einer einzigen Rücksetz-Operation voll amorphisiert werden, indem mehrere Impulssignale mit einem niedrigeren Energiepegel als vorher benötigt verwendet werden. Obwohl eine Ausführungsform zwei derartige Impulse zeigt, können während einer einzigen Rücksetz-Operation drei, vier oder zusätzliche weitere Impulse verwendet werden. Weil es nicht notwendig ist, die Mitte des Phasenwechselmaterials 64 zu überhitzen, wenn mehrere Impulssignale verwendet werden, weist die Speicherzelle 60 eine bessere Energieeffizienz auf als frühere Phasenwechselspeicherzellen. Die erfindungsgemäße Speicherzelle 60 riskiert auch nicht die Phasentrennung des Phasenwechselmaterials 64, die manchmal mit Überhitzen einhergeht.

Bei einer Ausführungsform kann ein Speicherchip eine Vielzahl von Speicherzellen 60 aufweisen, so dass sich Tausende, Millionen oder mehr derart konfigurierter Speicherzellen in dem Speicherchip befinden.

Das Phasenwechselmaterial 64 kann gemäß der vorliegenden Erfindung aus einer Vielzahl von Materialien bestehen. Im Allgemeinen sind Chalkogenid-Legierungen, die ein Element oder mehrere Elemente aus Spalte IV des Periodensystems enthalten, als solche Materialien verwendbar. Bei einer Ausführungsform besteht das Phasenwechselmaterial 64 der Speicherzelle 60 aus einer Chalkogenid-Verbindung wie GeSbTe oder AgInSbTe.

Ähnlich können die verschiedenen anderen Bestandteile der Speicherzelle 60 eine Vielzahl von erfindungsgemäßen Materialien aufweisen. Bei einer Ausführungsform kann der erste Kontakt 62 aus Wolfram oder einer Titannitrid-Zusammensetzung bestehen, und der zweite Kontakt 66 kann ein Wolframstecker sein. Bei einer Ausführungsform sind die Seitenisolatoren 68 Isolatormaterialien wie Siliziumdioxid. Andere Isolatoren können ebenfalls verwendet werden.

Außerdem kann die spezifische Konfiguration der Speicherzelle 60 eine Vielzahl von Formen entsprechend der vorliegenden Erfindung aufweisen. Obwohl die Speicherzelle 60 als active-in-via Zelle von im Allgemeinen zylindrischer Form gezeigt ist, ist es für den Fachmann selbstverständlich, dass entsprechend der vorliegenden Erfindung eine Vielzahl von Zellen, die einen Teil Phasenwechselmaterial aufweisen, durch das mehrere Impulssignale getrieben werden, verwendet werden können.

Bei einer Ausführungsform werden mehrere Strom- oder Spannungsimpulse durch das Phasenwechselmaterial 64 getrieben, um das Material während einer Rücksetz-Operation zu schmelzen und zu amorphisieren. Bei einer alternativen Ausführungsform werden mehrere Spannungsimpulse an das Phasenwechselmaterial 64 angelegt. In diesem Fall sollten die Spannungsimpulse bei einer bestimmten Rücksetz-Operation von zunehmender Größe sein, um dem Anstieg des reinen Widerstands des Phasenwechselmaterials 64, der durch den partiellen Phasenwechsel, der in dem Material nach jedem zusätzlichen Impuls auftritt, Rechnung zu tragen.

Bei einer Ausführungsform können mehrere Spannungsimpulse konstanter Größe bei einem einzigen Rücksetzen verwendet werden, um die größte Menge von Strom, die ein mit dem Phasenwechselmaterial 64 gekoppelter Transistor liefern kann, zu ziehen. Wenn diese Menge von Strom nicht ausreicht, um das Phasenwechselmaterial 64 zu schmelzen, zieht der nächste Impuls einen höheren Strom, weil sich der Zellwiderstand wegen des in dem Material auftretenden partiellen Phasenwechsels erhöht hat.

Da die Speicherzelle 60 niedrigeren Spitzenstrom oder niedrigere Spitzenspannung verwendet, erlaubt sie eine kompaktere Größe und kann kosteneffizienter hergestellt werden. Auch baut sich in der Speicherzelle 60 weniger Belastung auf als bei Systemen, die auf die Verwendung von Einzelimpulsen beschränkt sind, und die Spitzentemperatur ist niedriger.

Bei einer Ausführungsform wird das erste Impulssignal 52 bei 1,11 Volt und 315 Mikroampere (&mgr;A) geliefert. Das zweite Impulssignal 54 wird dann bei 1,33 Volt und 308&mgr;A geliefert. Zwischen den ersten und zweiten Impulsen 52 und 54 kann sich das Phasenwechselmaterial 64 ca. 5 Nanosekunden (ns) lang abkühlen.

Obwohl mehrere Impulse verwendet werden, wobei zwischen den Impulsen einige Zeit zum Abschrecken des Materials zur Verfügung steht, sollte die für die Mehrimpuls-Rücksetz-Operation benötigte Gesamtzeit den reinen Schreibschritt für eine Vielzahl von Speicherzellen 60, die als ein Speicherchip integriert sind, nicht wesentlich beeinflussen. Für derartige Speicherchips wird die zum Schreiben eines Bits benötigte Zeit normalerweise durch die Dauer der Setz-Operation bestimmt, die typischerweise fünf bis zehn Mal länger ist als die Rücksetz-Operation. Typischerweise dauert eine Setz-Operation 20 bis 100ns länger als eine Rücksetz-Operation. So beträgt beispielsweise, wenn die Abschreckzeiten zwischen den Impulsen bei einer Mehrimpuls-Rücksetz-Operation im Bereich von 1 bis 2ns liegen und die Heizimpulse selbst ca. 5ns dauern, die Gesamtzeit für eine Mehrimpuls-Rücksetz-Operation immer noch weniger als 30ns. Dies ist immer noch weniger Zeit als bei einer typischen Setz-Operation.

Obwohl hier besondere Ausführungsformen gezeigt und beschrieben worden sind, ist es für den Fachmann selbstverständlich, dass eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Implementierungen die gezeigten und beschriebenen besonderen Ausführungsformen ersetzen können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die vorliegende Anmeldung soll alle Anpassungen oder Variationen der hier erörterten besonderen Ausführungsformen umfassen. Daher soll die vorliegende Erfindung nur durch die Ansprüche und deren Äquivalente eingeschränkt werden.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zum Rücksetzen einer Speicherzelle, wobei das Verfahren umfasst:

    Bereitstellen eines ersten elektrischen Schreibimpulses für das Phasenwechselmaterial in der Speicherzelle;

    Erhitzen eines ersten Teils des Phasenwechselmaterials mit dem ersten Schreibimpuls, bis er geschmolzen ist;

    Ermöglichen, dass sich der erste Teil des Phasenwechselmaterials unter die Schmelztemperatur abkühlt;

    Bereitstellen eines zweiten Schreibimpulses für das Phasenwechselmaterial in der Speicherzelle;

    Erhitzen eines zweiten Teils des Phasenwechselmaterials mit dem zweiten Schreibimpuls, bis er geschmolzen ist; und

    Ermöglichen, dass sich der zweite Teil des Phasenwechselmaterials abkühlt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, das des Weiteren umfasst:

    Bereitstellen eines dritten Schreibimpulses für das Phasenwechselmaterial in der Speicherzelle;

    Erhitzen eines dritten Teils des Phasenwechselmaterials mit dem dritten Schreibimpuls, bis er geschmolzen ist; und

    Ermöglichen, dass sich der dritte Teil des Phasenwechselmaterials abkühlt.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, das des Weiteren umfasst:

    Bereitstellen eines vierten Schreibimpulses für das Phasenwechselmaterial in der Speicherzelle;

    Erhitzen eines vierten Teils des Phasenwechselmaterials mit dem vierten Schreibimpuls, bis er geschmolzen ist; und

    Ermöglichen, dass sich der vierte Teil des Phasenwechselmaterials abkühlt.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erhitzen des ersten Teils und das Ermöglichen, dass er sich abkühlt, den ersten Teil in einen amorphen Zustand ändert, der einen höheren Widerstand aufweist als die verbleibenden Teile des Phasenwechselmaterials.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei nach Bereitstellen des zweiten Schreibimpulses für das Phasenwechselmaterial der höhere Widerstand des ersten Teils eher das Erhitzen des zweiten Teils als des ersten Teils verursacht.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bereitstellen des ersten Schreibimpulses das Bereitstellen eines der Gruppe umfassend einen Stromimpuls und einen Spannungsimpuls umfasst.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Heizzeiten des ersten und des zweiten Teils im Bereich von 0 bis 5 Nanosekunden und die Abkühlzeiten im Bereich von 0 bis 2 Nanosekunden liegen.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Rücksetz-Operation weniger als 35 Nanosekunden dauert.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste Schreibimpuls durch das Phasenwechselmaterial geleitet wird und dadurch das Material erhitzt.
  10. Speicherzellvorrichtung mit:

    einer Speicherzelle mit einem Phasenwechselmaterial, das gesetzt (set) und zurückgesetzt (reset) werden kann;

    einer Schreibimpuls-Vorrichtung zum Erzeugen wenigstens erster und zweiter Schreibimpulssignale für eine einzige Rücksetz-Operation der Speicherzelle, wobei das erste Schreibimpulssignal einen ersten Teil des Phasenwechselmaterials der Speicherzelle erhitzt und schmilzt, und wobei das zweite Schreibimpulssignal einen zweiten Teil des Phasenwechselmaterials der Speicherzelle erhitzt und schmilzt.
  11. Speicherzellvorrichtung nach Anspruch 10, wobei der erste Teil des Phasenwechselmaterials der Speicherzelle amorphisiert wird, nachdem er durch den ersten Schreibimpuls erhitzt und nachfolgend abgeschreckt worden ist.
  12. Speicherzellvorrichtung nach Anspruch 10, wobei der zweite Teil des Phasenwechselmaterials der Speicherzelle amorphisiert wird, nachdem er durch den zweiten Schreibimpuls erhitzt und nachfolgend abgeschreckt worden ist.
  13. Speicherzellvorrichtung nach Anspruch 10, wobei das Phasenwechselmaterial während des Phasenwechsels eine Materialausdehnung von weniger als 15% erfährt.
  14. Speicherzellvorrichtung nach Anspruch 10, wobei das Setzen (setting) des Phasenwechselmaterials der Speicherzelle das Setzen des Materials in einen kristallinen Zustand ist, und wobei das Rücksetzen (resetting) des Phasenwechselmaterials der Speicherzelle das Setzen des Materials in einen amorphen Zustand ist.
  15. Speicherzellvorrichtung nach Anspruch 10, wobei das Phasenwechselmaterial aus einer Gruppe enthaltend GeSbTe, AgInSbTe, GeSb, GaSb und Chalkogenid-Legierungen ausgewählt ist.
  16. Speichervorrichtung mit:

    einer Vielzahl von Phasenwechselspeicherzellen, die jeweils ein Phasenwechselmaterial aufweisen, das gesetzt (set) und zurückgesetzt (reset) werden kann;

    einer Schreibimpuls-Erzeugungsvorrichtung, die wenigstens erste und zweite Schreibimpulssignale für eine einzige Rücksetz-Operation erzeugt; und

    einer Verteilerschaltung zum Verteilen der ersten und zweiten Schreibimpulssignale für eine einzige Rücksetz-Operation an eine ausgewählte Speicherzelle;

    wobei das erste Schreibimpulssignal einen ersten Teil des Phasenwechselmaterials der ausgewählten Speicherzelle erhitzt und schmilzt, und wobei das zweite Schreibimpulssignal einen zweiten Teil des Phasenwechselmaterials der ausgewählten Speicherzelle erhitzt und schmilzt.
  17. Speichervorrichtung nach Anspruch 16, wobei der erzeugte Schreibimpuls durch das Phasenwechselmaterial geleitet wird und dadurch das Material erhitzt.
  18. Speichervorrichtung nach Anspruch 16, wobei das Phasenwechselmaterial aus einer Gruppe enthaltend GeSbTe, AgInSbTe, GeSb, GaSb und Chalkogenid-Legierungen ausgewählt wird.
  19. Speichervorrichtung nach Anspruch 16, die in einer RAM-Vorrichtung konfiguriert ist.
  20. Speichervorrichtung nach Anspruch 16, wobei die Phasenwechselspeicherzellen, die Schreibimpuls-Vorrichtung und die Sensorvorrichtung in einem einzigen Chip integriert sind.
Es folgen 6 Blatt Zeichnungen






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