TWI384663B - The method of styling a phase - changing memory cell and the phase - changing memory - Google Patents

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程式化一相變化記憶胞的方法及相變化記憶體
本發明是有關於一種程式化一記憶胞的方法及一種記憶體，特別是指一種程式化一相變化記憶胞的方法及一種相變化記憶體(phase-change random access memory，PRAM)。
相變化記憶體是一種非揮發性記憶體(non-volatile memory)，其所儲存的資料不會因電源移除而消失。由於相變化記憶體的切換速度相當快，且可相容於互補式金屬氧化物半導體(CMOS)製程，被看好有機會取代快閃記憶體(flash memory)成為非揮發性記憶體的主流。
相變化記憶體使用可藉由加熱而在結晶相(crystalline phase)和非晶相(amorphous phase)之間切換的相變化材料(例如硫屬合金(chalcogenide alloy))來儲存資料。相變化材料在結晶態下具有低電阻係數(resistivity)和高反射率(reflectance)，而在非晶態下具有高電阻係數和低反射率。相變化記憶體利用電信號來加熱相變化材料，並利用相變化材料在結晶相與非晶相之間的電阻係數差異來辨別所儲存的資料。可重寫光學媒體(例如CD-RW和DVD-RW)也使用相變化材料來儲存資料，但利用雷射光來加熱相變化材料，並利用相變化材料在結晶相與非晶相之間的反射率差異來辨別所儲存的資料。
在相變化記憶體中，藉由將相變化材料先加熱到超過 其結晶溫度(例如300℃)，但低於其熔化溫度(例如600℃)，再冷卻下來，可使其從非晶相轉變成結晶相，一般稱此過程為設定(set)，而藉由將相變化材料先加熱到超過其熔化溫度，再冷卻下來，可使其從結晶相轉變成非晶相，一般稱此過程為重設(reset)。
習知的一種程式化方法是利用電流脈衝來進行設定及重設。然而，這種方法所需的重設電流脈衝的振幅很大。 目前大多數研究都是藉由改變相變化記憶胞(PRAM cell)的結構來降低重設電流脈衝的振幅。例如，參閱圖1，2003年Journal of Applied Physics第94卷第3536頁揭露了一種採用垂直結構(vertical structure)的相變化記憶胞。藉由在一相變化材料層11與一下電極12之間增加一厚度為5nm的非晶碳(amorphous carbon)層13，重設電流脈衝的振幅可降低至1mA。然而，根據模擬結果，當非晶碳層13有±1nm的厚度飄移時，施加相同的重設電流脈衝會使相變化材料層11的最高溫節點有545℃的溫度飄移。因此，非晶碳層13的厚度飄移必須盡量減少，以降低最高溫節點的溫度飄移，這導致非晶碳層13的製程控制不易。
習知的另一種程式化方法是利用電壓脈衝來進行設定及重設。例如，參閱圖2，2005年Nature Materials第4卷第347頁揭露了一種採用線型結構(line structure)的相變化記憶胞，並利用一寬度為100ns且振幅為1.2V的電壓脈衝來進行設定，而利用一寬度為50ns且振幅為1.75V的電壓脈衝來進行重設。然而，這種相變化記憶胞的結構較複 雜，這導致製作成本較高。
習知的又一種程式化方法是利用電流脈衝來進行設定而利用電壓脈衝來進行重設。例如，參閱圖3，美國專利公開案2008/0062740揭露了一種適用於電阻式記憶體(RRAM)的程式化方法，但有些人將電阻式記憶體視為是相變化記憶體的一種。根據步驟30~39，在進行設定時，重複地施加一設定電流脈衝到一相變化記憶胞的相變化材料層，並測量相變化材料層的電阻值，直到測量到的電阻值指示相變化材料層在結晶相，其中，設定電流脈衝的振幅隨著每次施加而增加，而在進行重設時，重複地施加一重設電壓脈衝到相變化材料層，並測量相變化材料層的電阻值，直到測量到的電阻值指示相變化材料層在非晶相，其中，重設電壓脈衝的振幅隨著每次施加而增加。然而，在某些情況下，熱電效應會導致這種方法的操作效率大幅降低。
因此，本發明之目的即在提供一種程式化一相變化記憶胞的方法，可以提高操作效率。
於是，本發明程式化一相變化記憶胞的方法適用於一相變化記憶胞，該相變化記憶胞包括依序電連接的一第一電極、一相變化材料層及一第二電極，該相變化材料層與該第一電極的接觸面積小於該相變化材料層與該第二電極的接觸面積，該方法包含以下步驟： 經由該第一電極及該第二電極施加一設定電流脈衝到 該相變化材料層；及經由該第一電極及該第二電極施加一重設電壓脈衝到該相變化材料層；其中，該重設電壓脈衝使該第一電極的電壓減去該第二電極的電壓所得到的電壓差與該相變化材料層的席貝克係數異號。
而本發明之另一目的即在提供一種相變化記憶體，可以提高操作效率。
於是，本發明相變化記憶體包含複數相變化記憶胞及一寫入電路。每一相變化記憶胞包括依序電連接的一第一電極、一相變化材料層及一第二電極，該相變化材料層與該第一電極的接觸面積小於該相變化材料層與該第二電極的接觸面積。該寫入電路經由該等相變化記憶胞中被選定的一者的第一電極及第二電極，施加一設定電流脈衝到該被選定的相變化記憶胞的相變化材料層，及施加一重設電壓脈衝到該被選定的相變化記憶胞的相變化材料層。其中，該重設電壓脈衝使該被選定的相變化記憶胞的第一電極的電壓減去該被選定的相變化記憶胞的第二電極的電壓所得到的電壓差與該被選定的相變化記憶胞的相變化材料層的席貝克係數異號。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚地呈現。
參閱圖4與圖5，本發明相變化記憶體4之較佳實施例包含複數相變化記憶胞41及一寫入電路42。
每一相變化記憶胞41包括依序電連接的一第一電極接觸411、一第一電極412、一相變化材料層413、一第二電極414與一第二電極接觸415，以及一圍繞上述構件411~415的介電部416，其中，相變化材料層413與第一電極412之接觸面積實質上小於相變化材料層413與第二電極414之接觸面積。如圖5(a)所示，當相變化記憶胞41採用垂直結構時，第一電極接觸411、第一電極412、相變化材料層413、第二電極414及第二電極接觸415沿垂直方向排列。如圖5(b)所示，當相變化記憶胞41採用線型結構時，第一電極412、相變化材料層413及第二電極414沿水平方向排列。
參閱圖6，寫入電路42程式化相變化記憶體胞41中被選定的一者之方法包含以下步驟： 步驟61是在對被選定的相變化記憶胞41進行設定時，經由第一電極接觸411與第二電極接觸415施加一設定電流脈衝到相變化材料層413，其中，設定電流脈衝的振幅Iset 使相變化材料層413的最高溫度Tmax 實質上介於其結晶溫度Tc 與其熔化溫度Tm 之間(即Tc <Tmax <Tm )，以使相變化材料層413從非晶相轉變成結晶相。
步驟62是在對被選定的相變化記憶胞41進行重設時，經由第一電極接觸411與第二電極接觸415施加一重設電壓脈衝到相變化材料層413，其中，重設電壓脈衝的振幅 Vreset 使相變化材料層413的最高溫度Tmax 實質上超過其熔化溫度Tm (即Tmax >Tm )，以使相變化材料層413從結晶相轉變成非晶相。較佳地，重設電壓脈衝的振幅Vreset 使相變化材料層413的最高溫度Tmax 實質上低於介電部416的熔化溫度，以避免介電部416熔化。較佳地，重設電壓脈衝的寬度實質上等於設定電流脈衝的寬度，以加快操作速度。
在步驟62中，重設電壓脈衝使第一電極接觸411的電壓減去第二電極接觸415的電壓所得到的電壓差與相變化材料層413的席貝克係數(Seebeck coefficient)(即熱電係數)異號。
參閱圖7、圖8與表1，當相變化記憶胞41分別採用垂直結構(以V表示)與線型結構(以L表示)、相變化材料層413分別由Ge22 Sb24 Te54 (以GST表示)與Se2 Sb70 Te28 (以SST表示)製成、相變化記憶胞41的特徵尺寸(feature size)(以F表示)為65nm，以及脈衝寬度為50ns時，根據模擬結果，重設電壓脈衝的振幅Vreset 與在結晶相下的相變化材料層413的最高溫度Tmax 之間的關係如圖7(a)所示，設定電壓脈衝的振幅Vset 與在非晶相下的相變化材料層413的最高溫度Tmax 之間的關係如圖7(b)所示，重設電流脈衝的振幅Ireset 與在結晶相下的相變化材料層413的最高溫度Tmax 之間的關係如圖8(a)所示，設定電流脈衝的振幅Iset 與在非晶相下的相變化材料層413的最高溫度Tmax 之間的關係如圖8(b)所示，以及相變化記憶胞41所需 的重設電壓脈衝的最小振幅(使在結晶相下的相變化材料層413的最高溫度Tmax 實質上達到其熔化溫度Tm )、設定電壓脈衝的最小振幅(使在非晶相下的相變化材料層413的最高溫度Tmax 實質上達到其結晶溫度Tc )、重設電流脈衝的最小振幅(使在結晶相下的相變化材料層413的最高溫度Tmax 實質上達到其熔化溫度Tm )與設定電流脈衝的最小振幅(使在非晶相下的相變化材料層413的最高溫度Tmax 實質上達到其結晶溫度Tc )如表1所示。由這些數據可知，利用電流脈衝來進行設定而利用電壓脈衝來進行重設，可以降低脈衝振幅。
參閱圖9，當相變化記憶胞41採用垂直結構(以V表示)、相變化材料層413由Se2 Sb70 Te28 (以SST表示)製成、相變化記憶胞41的特徵尺寸(以F表示)分別為35nm、65nm與150nm，以及脈衝寬度為50ns時，根據模擬結果，重設電壓脈衝的振幅Vreset 與在結晶相下的相變化材料層413的最高溫度Tmax 之間的關係如圖9(a)所示，設定電流脈 衝的振幅Iset 與在非晶相下的相變化材料層413的最高溫度Tmax 之間的關係如圖9(b)所示，以及相變化記憶胞41所需的重設電壓脈衝與設定電流脈衝的最小振幅如表2所示。由這些數據可知，即使特徵尺寸改變，相變化記憶胞41仍可利用電流脈衝來進行設定而利用電壓脈衝來進行重設。
另外，根據模擬結果，無論相變化記憶胞41採用垂直結構或線型結構，當相變化材料層413的席貝克係數實質上大於0時，若重設電壓脈衝使第一電極接觸411的電壓實質上大於第二電極接觸415的電壓(即第一電極接觸411的電壓減去第二電極接觸415的電壓所得到的電壓差與相變化材料層413的席貝克係數同號，二者皆是實質上大於0)，因為席貝克及貝爾蒂(Peltier)等熱電效應的影響，相變化材料層413中的熱能集中位置會往第二電極414的方向移動，導致操作效率大幅降低，甚至無法操作，若重設電壓脈衝使第一電極接觸411的電壓實質上小於第二電極接觸415的電壓(即第一電極接觸411的電壓減去第二電極接觸415的電壓所得到的電壓差與相變化材料層413的席貝克係數異號，前者實質上小於0，後者實質上大於0)，相變化 材料層413中的熱能集中位置會往第一電極412的方向移動，導致操作效率提高，甚至可以降低相變化記憶胞41所需的重設電壓脈衝的最小振幅；而當相變化材料層413的席貝克係數實質上小於0時，若重設電壓脈衝使第一電極接觸411的電壓實質上大於第二電極接觸415的電壓(即第一電極接觸411的電壓減去第二電極接觸415的電壓所得到的電壓差與相變化材料層413的席貝克係數異號，前者實質上大於0，後者實質上小於0)，相變化材料層413中的熱能集中位置會往第一電極412的方向移動，若重設電壓脈衝使第一電極接觸411的電壓實質上小於第二電極接觸415的電壓(即第一電極接觸411的電壓減去第二電極接觸415的電壓所得到的電壓差與相變化材料層413的席貝克係數同號，二者皆是實質上小於0)，相變化材料層413中的熱能集中位置會往第二電極414的方向移動。因此，重設電壓脈衝使第一電極接觸411的電壓減去第二電極接觸415的電壓所得到的電壓差與相變化材料層413的席貝克係數異號，以提高操作效率。
由於相變化記憶胞41所需的設定電流脈衝的最小振幅遠小於所需的重設電流脈衝的最小振幅，藉由使設定電流脈衝的振幅ISET 介於所需的設定電流脈衝的最小振幅與所需的重設電流脈衝的最小振幅之間，可以使相變化記憶層413從非晶相轉變成結晶相，但不會使相變化記憶層413從結晶相轉變成非晶相，而由於相變化記憶胞41所需的重設電壓脈衝的最小振幅遠小於所需的設定電壓脈衝的最小振 幅，藉由使重設電壓脈衝的振幅VRESET 介於所需的重設電壓脈衝的最小振幅與所需的設定電壓脈衝的最小振幅之間，可以使相變化記憶層413從結晶相轉變成非晶相，但不會使相變化記憶層413從非晶相轉變成結晶相，因此可以直接覆寫，不需要知道相變化記憶層413原本在什麼狀態。同理，電流突波難以使相變化記憶層413從結晶相轉變為非晶相，電壓突波難以使相變化記憶層413從非晶相轉變成結晶相，因此可以自我保護。
綜上所述，本實施例藉由重設電壓脈衝使第一電極接觸411的電壓減去第二電極接觸415的電壓所得到的電壓差與相變化材料層413的席貝克係數異號，可以提高操作效率，因此確實可以達到本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
4‧‧‧相變化記憶體
41‧‧‧相變化記憶胞
411‧‧‧第一電極接觸
412‧‧‧第一電極
413‧‧‧相變化材料層
414‧‧‧第二電極
415‧‧‧第二電極接觸
416‧‧‧介電部
42‧‧‧寫入電路
61、62‧‧‧步驟
圖1是一剖面圖，說明習知的一種採用垂直結構的相變化記憶胞；圖2是一剖面圖，說明習知的一種採用線型結構的相變化記憶胞；圖3是一流程圖，說明習知的一種程式化一相變化記憶胞的方法，(a)用於進行設定，及(b)用於進行重設；圖4是一方塊圖，說明本發明相變化記憶體之較佳實 施例；圖5是一剖面圖，說明較佳實施例的相變化記憶胞，(a)採用垂直結構，或(b)採用線型結構；圖6是一流程圖，說明較佳實施例程式化相變化記憶胞的方法；圖7是一模擬圖，說明在相變化記憶胞的類型不同時，(a)重設電壓脈衝的振幅與在結晶相下的相變化材料層的最高溫度之間的關係，及(b)設定電壓脈衝的振幅與在非晶相下的相變化材料層的最高溫度之間的關係；圖8是一模擬圖，說明在相變化記憶胞的類型不同時，(a)重設電流脈衝的振幅與在結晶相下的相變化材料層的最高溫度之間的關係，及(b)設定電流脈衝的振幅與在非晶相下的相變化材料層的最高溫度之間的關係；及圖9是一模擬圖，說明在相變化記憶胞的特徵尺寸不同時，(a)重設電壓脈衝的振幅與在結晶相下的相變化材料層的最高溫度之間的關係，及(b)設定電流脈衝的振幅與在非晶相下的相變化材料層的最高溫度之間的關係。
61、62‧‧‧步驟

Claims (10)

  1. 一種程式化一相變化記憶胞的方法，適用於一相變化記憶胞，該相變化記憶胞包括依序電連接的一第一電極、一相變化材料層及一第二電極，該相變化材料層與該第一電極的接觸面積小於該相變化材料層與該第二電極的接觸面積，該方法包含以下步驟：經由該第一電極及該第二電極施加一設定電流脈衝到該相變化材料層；及經由該第一電極及該第二電極施加一重設電壓脈衝到該相變化材料層；其中，該重設電壓脈衝使該第一電極的電壓減去該第二電極的電壓所得到的電壓差與該相變化材料層的席貝克係數異號。
  2. 依據申請專利範圍第1項所述之程式化一相變化記憶體的方法，其中，該設定電流脈衝及該重設電壓脈衝的寬度實質上相同。
  3. 依據申請專利範圍第1項所述之程式化一相變化記憶體的方法，其中，該設定電流脈衝的振幅使該相變化材料層的最高溫度實質上介於其結晶溫度與其熔化溫度之間，該重設電壓脈衝的振幅使該相變化材料層的最高溫度實質上超過其熔化溫度。
  4. 依據申請專利範圍第3項所述之程式化一相變化記憶體的方法，該相變化記憶胞更包括一介電部，其中，該重設電壓脈衝的振幅使該相變化材料層的最高溫度實質上 低於該介電部的熔化溫度。
  5. 一種相變化記憶體，包含：複數相變化記憶胞，每一相變化記憶胞包括依序電連接的一第一電極、一相變化材料層及一第二電極，該相變化材料層與該第一電極的接觸面積小於該相變化材料層與該第二電極的接觸面積；及一寫入電路，經由該等相變化記憶胞中被選定的一者的第一電極及第二電極，施加一設定電流脈衝到該被選定的相變化記憶胞的相變化材料層，及施加一重設電壓脈衝到該被選定的相變化記憶胞的相變化材料層；其中，該重設電壓脈衝使該被選定的相變化記憶胞的第一電極的電壓減去該被選定的相變化記憶胞的第二電極的電壓所得到的電壓差與該被選定的相變化記憶胞的相變化材料層的席貝克係數異號。
  6. 依據申請專利範圍第5項所述之相變化記憶體，其中，該設定電流脈衝及該重設電壓脈衝的寬度實質上相同。
  7. 依據申請專利範圍第5項所述之相變化記憶體，其中，該設定電流脈衝的振幅使該被選定的相變化記憶胞的相變化材料層的最高溫度實質上介於其結晶溫度與其熔化溫度之間，該重設電壓脈衝的振幅使該被選定的相變化記憶胞的相變化材料層的最高溫度實質上超過其熔化溫度。
  8. 依據申請專利範圍第7項所述之相變化記憶體，其中，每一相變化記憶胞更包括一介電部，該重設電壓脈衝的 振幅使該被選定的相變化記憶胞的相變化材料層的最高溫度實質上低於該介電部的熔化溫度。
  9. 依據申請專利範圍第5項所述之相變化記憶體，其中，每一相變化記憶胞採用垂直結構。
  10. 依據申請專利範圍第5項所述之相變化記憶體，其中，每一相變化記憶胞採用線型結構。
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