TWI260017B - Method, apparatus, and manufacture method of using ferroelectric memory for data storage - Google Patents

Description

l26〇〇l l3l〇1twf.d〇c/g 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 扒〜本發明是有關於-種積體電路記憶體，且特別是 r種使用鐵電記憶胞的積體電路記憶體。 【先前技術】 t己電記憶體積體電路藉由提供不同的電壓級別給鐵電 程式化多個位兀，其中每個鐵電記情胞皆可 鐵提供不同的電壓級別給鐵電記憶胞將改變i 別僅是決定儲存在鐵電記憶胞中之』===堡級 ;在=限制此控制電路系統的;來;: 二^在鐵電記憶胞中的多個位元值為何，—麵= 體應用也許較不適合用來程式化鐵 本。己仏 定記憶體應用也許不需要其中的者一個特 内被程式化。因此，除 4胞在同一個期間 外，所需要的是能夠在鐵的電屋之 的替代品。 中耘式化多個不同位元 【發明内容】 本發明的目的就是在提供一 銘存的方法’藉由在特^鐵電記憶趙作資料 歷給鐵電記憶跑，而㈣供不同的電 憶胞。 妁貝科值儲存於此鐵電記 本發明的再—目的是提 資料的積體電路，包括採用=鐵電記憶體作儲存 电格糸統在一特定持續時間 1260017 13101 twf.doc/g 而將 =:電壓連接至鐵電記憶胞陣列其中之一胞體 舅料值儲存於此鐵電記憶胞。 树明的又-目的是提供—種生產資料儲存之 n包㈣—個鐵電記憶胞陣列及—個電路系續 建構於 '—個丰導辦其· 糸、、'先 資料值。 且土 &上，而能夠藉由此鐵電記憶胞錯存 本么月提Α種使用鐵電記憶體作資料 以一個狀態引聲批告丨丨牌$ 丁』乃在， 次粗估以物錢憶體從多個# 巾接收—個

=ί、,’/、中不同㈣值對應於不同特定持續時間，例如 ^二貧料值對應於第—，較_特定 D =㈣應於第二，較長的特麟續時間 持績時間的資料值是藉由 ^應特疋 壓給构獨内提供電 j心己认的方式，儲存於此鐵電 猎由在對應於第-:轉值㈣—特 ^ 給鐵電記憶胞’以儲存此第-資料值於鐵電記 5猎由在對應於第二資料值的第二特定 壓給鐵電記憶胞，以儲在.筮一欠Μ处 ]円徒ί、兒 存 捕值於鐵電記憶胞中。 本毛月k出一種使用鐵電記憶體作儲 路，其中包括一個半導體基底、一個 ^ ^ 们耦接至此鐵電記憶胞陣列的 】路糸統。此電路錢適用於在—特定持續時間將電壓連 接至此鐵電記憶胞_的舰，而其 間皆對應於-資料值。 個特疋持、·，貝％ 1260017 131〇ltwf.doc/g 存資料的積體電ϊΓΐ::::使用鐵電記憶體作储 化此鐵電記憶胞陣列的;，式 =二㈣自多 疋持、、、貝日守間疋介於一毫秒及 叫 大小介於1.5V及5ν·門乂觀圍之内而此電壓值 的鐵電材料包含Ρζτ。 敦电。己u皰陣列 ==發明的較佳實施例所述之使用鐵 電路，其中鐵電記憶胞之感應窗口的;= 二：f夕個位兀的資料值儲存於此鐵電記憶胞，而儲； 貧料值的—鐵電記憶胞具有一橋頑電壓值（例如介於〇9 1.5V的範圍内），其中資料值是藉由提供電壓使鐵電記 胞產生極化的方式來儲存在鐵電記憶胞中。鐵電記憶胞ς、 極化值具有-極性及一大小，兩者或其中之一可用^表示 ^資料值。將資料值依極化值的極性而不依大小來儲^ 時，可^加寬每一個位元的感應窗口大小而能簡化設計， 另外將貧料值依極化值大小來儲存時，則允許在每個鐵電 記憶胞内儲存多個位元。 ^ 依照本發明的較佳實施例所述之使用鐵電記憶體作儲 存資料的積體電路，其中儲存在鐵電記憶胞的每個資料值 皆對應於程式化之特定時間及特定電壓。 本發明提出一種生產資料儲存之鐵電記憶體的方法， 其中包括提供一個半導體基底，並建構一個耦接至此半導 體基底的一個鐵電記憶胞陣列，以及建構一個耦接至此鐵 7 1260017 13101 twf.doc/g 電記憶胞陣列的電路系統。此電路系統適用於在 績時間内將電壓連接至此鐵電記憶胞陣列，而其：疋、 特疋持績時間皆對應於一資料值。 母口 #本發明因採用鐵電記憶胞作資料儲存的結構，因 以藉由在不同持續時間内提供不同的電壓值給I 胞’而將貧料值儲存於此鐵電記憶胞中，以改進n: 中僅利用提供不同的電壓健存資料值，而造 術 電吕己憶胞内的位元數有限的缺點。 子鐵 為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更 ίί下了文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說 【實施方式】 圖1是依照本發明較佳實施例所繪示 化的從屬關係圖，其中一個從屬因 、體極 他式化脈衝持_時間，而另—個從屬因子則是在程式化 脈衝期間提供給鐵電記憶胞的㈣大小 =個固疋-3V的程式化電廢，趨勢線13〇對應於一個固 =2V的&式化電壓。即使感應窗口縮小了程式化電壓 ’而較大的極化值在程式化電壓值介於7V〜10V之間時 仍趨於飽和’使知較大的電壓值也可作用。趨勢線⑽的 斜率比趨勢線12G的斜率更為㈣，而趨勢線i2G的斜率 比'1。的斜率更為㈣，此斜率關連顯示出感應窗 Ik著权式化電壓值的降低而擴大。在其他因素不變的情 1260017 13101twf.d〇c/g 兩.2的程式化電壓值會導致較合適的條件使每個鐵 jl二广以儲存的位元，而此低電壓操作適用於高 白補金氧半導體（complementary Metai 〇xide 刪C〇nduct〇r，CM〇s)、s〇c應用，以及下世代的記憶體。 的程式化脈衝電壓之鐵電記憶胞不需要高成本的 二2路’因^得以擁有較高密度，而鐵電記憶胞的高 疋％式化電壓值能降到多低的限制因素之一。 趨勢線110、趨勢線120，以及趨勢線13〇其中每一個 皆包含7個對應於程式化_寬度介㈣—毫微秒及一秒 之4^疋持_時間的|料點，這些資料保持在每個鐵電 記憶胞中使用至少七個離散值作為儲存，献是說幾乎每 個胞體使用三個位元。每個胞體的三個或更多個位元被儲 存而开^成本貝％例中沿著趨勢線排列的不同資料點，而在 八有相對破感的感應放大器中，每個胞體可以儲存更多的 位元。 圖2所繪示是被用以取得圖丨資料的電壓波形2〇〇。 此先極化脈衝210持續了一秒且具有5V的電壓，而在其 他的實施例中，此先極化脈衝只持續了丨〜％毫秒。增加 此先極化脈衝電壓值將會減少其用以將此鐵電記憶胞的極 化值達到一給定值所花費的時間，而降低此先極化脈衝電 壓值將會增加其用以將該鐵電記憶胞的極化值達到一給定 值所花費的時間，而此先極化脈衝210會在每次測量前先 设定此鐵電記憶胞的啟始極化值為一個普通的極性及大 1260017 13101 twf.doc/g 料值的:寺220具有-對應儲存於鐵電記憶胞之資 =戶而此程式化脈衝220的電壓具有如 定義的固定電壓值，而在其他的實施例中 “卜二0的電壓是不固定且隨時間而變化的。假

-口ίί間而變化，用以程式化此記憶胞之某 2度的自由性將被附加用來控制多個資料值，因此，可 程式化脈衝的持續時間。舉例來說，在—個記憶胞 中的夕^料值可藉由固定此程式化脈衝的持續時間在 100广彳’㈣之間作為特定值的函數來達成，而改變此程 ’化電壓。因為使用—可變電壓作為程式化脈衝，比使用 -個改變脈衝持，時_固定不變電壓具有較高的程式化 逮度’而除了可藉由改變脈衝持續時間之外，並可藉由改 ί此程式=脈衝電壓將程式化速度提升，其中此特定持續 日守間可為單一的持績時間或加上此特定時間的多個特定時 間。此程式化脈衝220將導致鐵電記憶胞的極化值具有一 個極性或大小，而代表儲存於此鐵電記憶胞的資料值，為 了旎夠測置感應窗口，在此程式化脈衝22〇中，此極化值 被最大化。 …一個第一測量脈衝231接續程式化脈衝220以測量鐵 電記憶胞的極化值，而一第二測量脈衝232則接續此第一 測量脈衝231來測量此鐵電記憶胞的極化值。此第一測量 脈衝231的電壓極性與之前的程式化脈衝22〇的電壓極性 相反’而第二測量脈衝232的電壓極性則與先前第一測量 脈衝231的電壓極性相同，如此，此第一測量脈衝231將 1260017 Π10] twf.doc/g 使得此鐵電記憶胞的極化值轉變極性，而第二測量脈衝 232將不會使得此鐵電記憶胞的極化值轉變極性。在每一 個第一測量脈衝231及第二測量脈衝232剛開始的時候做 測量，接著將此兩個測量值的差值取絕對值，以測量此鐵 電s己憶胞的感應窗口。

為了獲取圖1所不的資料，此第一測量脈衝231及第 -測置脈衝232具有2.5毫秒的上升時間、2 5冑秒的持平 時間’以及2.5毫秒的下降時間。在許多實施例子中，此 鐵電記憶胞運作時的讀取運算脈衝較短，而上升時間則約 由在:憶胞的磁滯現象曲線圖，藉 關係，此鐵電記憶胞的= 化電驗間的 至多低的限制因素，、疋此程式化電壓值可減少 如介於-1.5V至丄長式化電壓值低於此矯頑電壓（例 的速度轉變。 ，則此雜料會轉變或以非常慢

--- 矯頑電壓（Vc) ^^ 1.5V ^^— 1.2V ^ -------- 化電壓（|Vprog|) 5V —~~~-—--- -------- 0.9V 3V ' 2V 11 1260017 13101 twf.doc/g 在此用來測量㈣_電記憶胞制包括ρζτ 材料’而其他的鐵電材料包括SBT、ΚΝ〇3，以及 等妈鈦礦（pe_kite)構造’或者在其他外部電場存 情況下，能藉由調整此外部電場以儲存一電極化值的 材料。 圖4A及圖4B所緣不的是一個使用鐵電記憶胞作資料 儲存的替代電路排列方式圖。在圖4A中，一個記憶胞包 括二個電晶體44G及-個鐵電記憶電容⑽。這種記憶胞 通常用來將啦電壓與—侧、體/區域的參考值做比 圖4A中的記憶胞包括一位元線、一字元線42〇，以^ -陳線430 ’其中電晶體物的閘極端被減至此字元 ^ 20而/、第龟流負載端則I馬接至位元線410，以及其 第一電級負載端耦接至鐵電記憶胞電容45〇的一端，而此 鐵電記憶胞電容450的另-端則输至陽極線43〇。 在圖4B中，一個鐵電記憶胞包括兩個電晶體481及 48^，以及兩個鐵電記憶電容482及484，此種記憶胞通常 用，將其巾—_電記憶電容與另—個作參考的鐵電記憶 ^各的測畺兒麼做比較。此圖4B中的記憶胞包括一位元 一 460斤補數位元線牝5、一字元線4川，以及一陽極線 :第—電晶體481的閘極端耦接至字元線470，其第 山電々丨l負载端則耦接至位元線46〇，以及其第二電流負載 接至第一鐵電記憶電容482的一端，而第一鐵電記憶 電容482的另一端則耦接至陽極線490。另外，第二電晶 體483的閘極端耦接至字元線47〇，其第一電流負載端則 12 1260017 13101twf.doc/g 搞接至補數位元線465，以及其第二電流負載端減至第 -鐵電讀、電容484的-端，而此第二鐵電記憶電容484 的另一端則耦接至陽極線490。

圖5所繪示的是將資料寫入鐵電記憶胞的一個範 時脈圖。在時段510巾，字元線55〇、陽極線56〇，以及位 凡線570皆為低電位。在時段52〇巾，字元線55〇將上升 至咼，位，而位元線570則先上升至高電位再下降至低電 位。當字元線550及陽極線56〇為高電位時，此電位調】 將=出此鐵電記憶胞的内容，錢電位調整的持續時$ 將決定儲存在此鐵電記憶胞内的資料值。 圖6所繪示的是將資料讀出鐵電 極線684皆為低電位。在時段62〇 t，位元線682將上升 至商電位，在時段63G中，字元線_將上升至高電位， -而t線682的結果^差將代表此鐵電記憶胞中所儲存的 在時段64G巾，—_毅大娜編b位元線 1 ，而在時段65G時，狀態引擎將開始運作。此 狀，引擎是由邏輯騎組成，用以決定寫回過程。因為此 種項取結構是屬於破雜的，所以在讀取龍後，原本儲 存在鐵2讀、胞中的資料將被消除。此狀態引擎參考由感 器取得的資料值，來判斷在圖6之時段_帽極 V堅的大小及持續時間，*位猶682也先被提升再下 降，以>肖除此鐵電記憶胞使其轉回為初始態。在時段_ 期間，從鐵電記憶胞中讀取的資料經由被程式化至鐵電記 13 1260017 131〇]twf.doc/g 憶胞，當字元線660保持高電位時，陽極線則被帶至高電 ，然後回至低電位，稭由陽極線保持在高電位的持續時間 =程式化鐵電記憶如切叙㈣自㈣記憶 料，在時段670巾，此字元、線680是被關閉的。 、 圖7崎示的是本發明—較佳實施_—種積體電路 的間化方塊圖，其中積體電路，包括—個在半導體基 上，用鐵電記憶胞的記憶體_ ，另外包括—個列解 碼為701 ♦馬接至多個排列在此記憶體陣列列間的字元 2以及一個行解碼器7〇3耦接至多個排列 二：==4。位址訊號則_流排- 廣放碼器70卜在方塊706中的感 應放大減輸η騎翻經_流排7G5 中的資料則是從積體電路7料輸人及輸二 5 貝體屯路750内部或外部的其他資料來源經由資料輸 〇線711 S供給方塊7〇6中的資料輸入結構。另外資料也 =方塊7〇6中的感應放大器經由資料輸出線7丨2提供 j路75G的輸人/輸出端’或者提供給其他積體電路7/〇 部或外部的資料標的。而偏移調整狀態引擎7()9則 提:壓的應用，例如藉由在一選定持物 定二^ 鐵電"己憶胞以在此儲存鐵電記憶胞内儲存一特 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以 '"定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神 1260017 13101twf.doc/g 和範圍内，當可作些許之更動與潤飾，因此本 範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。&明之保護 【圖式簡單說明】 圖1是依照本發明較佳實施例所緣示的 化的從屬關係圖。 己U體極 =，依照本發雜佳實關麟示的電壓波形圖。 滞曲本㈣較佳示的鐵電記憶胞磁 圖4八及4B是依照本發明較佳實施例所績示的一 鐵電兄憶胞作資料儲存的替代電路·方式圖。 # j 5疋條、本發8她佳實施例所纟t示的㈣寫入鐵電 5己1思胞的一個範例的時脈圖。 结屮Hi依照本發明較佳實施例所緣示的由鐵電記憶胞 ’出舅料的一個範例的時脈圖。 體中Ξϋ錢本發賴佳實施例鱗示的鐵電記憶胞積 瑕電路的簡化方塊圖。 【主要元件符號說明】 關係曲線们α疋5¥的各式化電壓與鐵電記憶體極化之 關係H 一個固心3V的程式化電屢與鐵電記憶體極化之 130 · 一個固定-2V的鞋々外 關係曲線 叫式化電壓與鐵電記憶體極化之 210 :先極化脈衝 1260017 13 1 Oltwf.doc/g 220 :程式化脈衝 231 :第一測量脈衝 232 :第二測量脈衝 410、460、570、682 :位元線 420、470、550、680 :字元線 430、490、560、684 :陽極線 440、481、483 :電晶體 450、482、484 :鐵電記憶胞電容 ® 465 :補數位元線 510、520、530、540、610、620、630、640、650、660、 670 ··時段 700 :鐵電記憶胞陣列 701 :列解碼器 702、704、705 :匯流排 703 :行解碼器 706 :感應放大器/資料輸入結構 • 707 ··位址訊號 708 :偏移調整 709 :程式化、消除及讀取偏移調整狀態引擎（在不同 持續時間供給電壓） 711 :資料輸入 712 :資料輸出 750 :積體電路 16

Claims (1)

1260017 13101twfl.doc/006

tim更)」三替換頁 95-5-3 十、申請專利範圍： 1. 一種使用鐵電記憶體作資料儲存的方法，包括： 自多個資料值中接收一資料值，其中每一該些資料值 具有多個特定持續時間其中之一特定持續時間；以及 藉由在該特定持續時間提供一電壓給一鐵電記憶體 胞，以儲存該資料值於該鐵電記憶胞。

2. 如申請專利範圍第1項所述之使用鐵電記憶體作資 料儲存的方法，其中該電壓在該特定持續時間中保持一固 定電壓。 3. 如申請專利範圍第1項所述之使用鐵電記憶體作資 料儲存的方法，其中該電壓的大小介於1.5伏特及5伏特 之間。 4. 如申請專利範圍第1項所述之使用鐵電記憶體作資 料儲存的方法，其中該些資料值代表多個資料位元。

5. 如申請專利範圍第1項所述之使用鐵電記憶體作資 料儲存的方法，其中該電壓會導致該鐵電記憶胞產生一極 化值，而該極化值則代表該資料值。 6. 如申請專利範圍第1項所述之使用鐵電記憶體作資 料儲存的方法，其中該電壓會導致該鐵電記憶胞產生一極 化值，而該極化值的極性及大小則代表該資料值。 7. 如申請專利範圍第1項所述之使用鐵電記憶體作資 料儲存的方法，其中該電壓會導致該鐵電記憶胞產生一極 化值，而該極化值的大小則代表該資料值。 17 8·如申請專利範圍第1項所述之使用鐵電記憶體作資 料儲存的方法，其中該些特定持續時間的範圍介於一真二 秒及一秒之間。 、毛铽 9·如申請專利範圍第1項所述之使用鐵電記憶體作資 料儲存的方法，其中儲存該資料值的該鐵電記憶胞具: 範圍介於〇·9伏特及L5伏特之間的矯頑電壓。 10·如申請專利範圍第i項所述之使_電記憶 資料儲存的方法，其中該鐵電記憶胞使用包括結鈦酸如 (Lead-Zirconate_Titanate，PZT)的鐵電材料。 〇 ll^t請專利範圍第丨項所述之使用鐵 貧料儲存的方法，其中每—該些資料值於該些特定 間中具有對應特定持續時間，並於該些特定電壓中、日守 -對應特定電壓，而上述儲存資料值的步驟為在=有 定持續時間提供該特定電壓給該鐵電記憶胞。、特 12.種使用鐵電記憶體作儲存資料的體 括： 略，包 一半導體基底； % =電記憶胞陣列，麵接至該半導體基底； 路糸統，輕接至該鐵電記憶胞陣列，而讀· :二ί多Γ特定持續時間其中之-對應特定持'ίί系 或更多個該鐵電記憶胞陣列的胞賤，、’ 二特：持績時間其中之每_該些對應特定持續心 八有可儲存在該鐵電記憶胞上 1内 資料值。 1 、對應 18 I2600]U twfl .doc/006 f H 95-5-3 ^ U•如申請專利範圍第12項所述之使用鐵電記憶體作 儲存資料的積體電路，其中該電壓在該特定持續時間中保 持一固定電壓。 ^ 14·如申凊專利範圍第項所述之使用鐵電記憶體作 儲存資料的積體電路，其中該電壓的大小介於1·5伏特及 5伏特之間。

^ If·如申請專利範圍第12項所述之使用鐵電記憶體作 儲存資料的積體電路，其中該些資料值代表多個資料位元。 t If·如申請專利範圍第12項所述之使用鐵電記憶體作 儲存資料的積體電路，其中該電壓會導致該鐵電記憶胞產 生一極化值，而該極化值則代表該資料值。

上H·如申睛專利範圍第12項所述之使用鐵電記情 ^存貝料的積體電路，其巾該電壓會導致該鐵電記憶胞〉 一極化值，而該極化值的極性及大小則代表謗資料值; 紗— L8·如申請專利範圍第12項所述之使用鐵電記憶體〃 =子貝料的積體電路，其中該電壓會導致該鐵電記憶胞 生極化值，而該極化值的大小則代表該資料值。 19·如申請專利範圍第12項所述之使用鐵 =積::::其中該些特定持續時間的範二 二讀的&體電路，其巾儲存該⑽㈣ 4-範圍介於0·9伏特及15伏特之間的獅^ ^ 19

日织更)王替換頁I 95-5-3 —」 1260017 13101twfl.doc/006 21·如申請專利範圍第12項所述之使用鐵電記憶體作 儲存資料的積體電路，其中該鐵電記憶胞使用包括鍅鈦酸 鉛（Lead-Zirconate_Titanate PZT)的鐵電材料。 上22·如申明專利範圍第12項所述之使用鐵電記憶體作 貧料_體電路，其中每—該些資料值於該些特定持 Ά間中具有-對應特定持續時間，並於該些蚊電壓中 ^ 一對麟定電壓，而上述儲存資料值的步驟為在該對 應特定賴時間提供該特定給該鐵電記憶胞。 23·-種生產資料儲存之鐵電記憶體的方法，包括： 提供一半導體基底； ，，接至該半導體基底的一鐵電記憶胞陣列；以及 系列的一電路系統’該電路 中在該些特钱續記憶胞_的胞體’其 内且右环辟六間其中之每一該些對應特定持續時間 應資料值。子錢電記憶胞上的該些資料值其中之一對 固定電壓。 /、甲该氣壓在該特定持續時間中保持一 2 5 ·如申请專利節圖μ 電記憶體的方23項所述之生產資料儲存之鐵 特之間。 〜甲5亥電壓的大小介於1.5伏特及5伏 20 1260017 I3101twfl.doc/006 Ql·· 95-5-3 ^ 26·如申請專利範圍第23項所述之生產資料儲存之鐵 電纪憶體的方法，其中該些資料值代表多個資料位元。 2J·如申請專利範圍第23項所述之生產資料儲存之鐵 電纪憶體的方法，其中該電壓會導致該鐵電記憶胞產生一 極化值，而該極化值則代表該資料值。 、 千如申請專利範圍第23項所述之生產資料儲存之鐵 電記憶體的方法，其中該電壓會導致該鐵電記憶胞產生一 φ 極化值，而該極化值的極性及大小則代表該資料值。 29·如申請專利範圍第23項所述之生產資料儲存之鐵 鲁 電記憶體的方法，其中該電壓會導致該鐵電記憶胞產生1 極化值，而該極化值的大小則代表該資料值。 30·如申請專利範圍第23項所述之生產資料儲存之鐵 電記憶體的方法，其中該些特定持續時間的範圍一二 微秒及一秒之間。 、毛 31·如申請專利範圍第Μ項所述之生產資料儲存之鐵 電記憶體的方法，其中儲存該資料值的該鐵電記憶胞具有 •—範圍介於G·9伏特及1·5伏特之間的铜電壓/ 〃 32·如申請專利範圍第23項所述之生產資料儲存之鐵 電記憶體的方法，其巾該鐵電記憶胞制包括結欽酸錯 (Lead_Zirconate-Titanate，ΡΖΤ )的鐵電材料。 口 33·如申請專利範圍第23項所述之生產資料儲存之 電記憶體的方法，其中每一該些資料值於該些特定持續時 間中具有一對應特定持續時間，並於該些特定電厣^ = ^ 21

一對應特定電壓，而上述儲存資料值的步驟為在該對應特 定持續時間提供該特定電壓給該鐵電記憶胞。

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