TWI433153B

TWI433153B - 記憶體單元之讀取方法

Info

Publication number: TWI433153B
Application number: TW98127578A
Authority: TW
Inventors: Frederick T Chen
Original assignee: Ind Tech Res Inst
Priority date: 2009-08-17
Filing date: 2009-08-17
Publication date: 2014-04-01
Also published as: TW201108230A

Description

記憶體單元之讀取方法

本發明係有關於一種記憶體單元之讀取方法，特別是有關於一種記憶體單元之穩定讀取方法。

由於半導體記憶體元件(或記憶體元件)的優點，已對其需求增加。相較於其他記憶體元件，不同型式的磁性隨機存取記憶體(MRAM)、電阻式隨機存取記憶體(RRAM)及相變化記憶體(PCM)具有可隨機存取、高集積度及高容量儲存的優點。

相變化記憶體(PCM)或相變化隨機存取記憶體(PRAM)係以硫化物合金的體積為基礎，其於加熱及冷卻後，選擇兩穩定、可程式的晶相或非晶相其中之一。相變化記憶體的關鍵為硫化物材料，包括一般稱為GST合金的鍺-銻-碲合金。由於此種材料在加熱及冷卻時於穩定的非晶相與晶相之間迅速開關的能力，遂特別適用於記憶體元件。

使用於相變化記憶體(PCM)或相變化隨機存取記憶體(PRAM)的材料，其第一相也就是晶相的電阻相對較低，而第二相也就是非晶相的電阻相對較高。根據相的可程式體積及量測電阻，單元的狀態程式化為邏輯數字1或0。結晶狀態一般稱為”設定”或”0”狀態，而非晶狀態一般稱為”重設”或”1”狀態。

近來，一種可儲存超過2位元資料於一記憶體單元的技術已被揭露。此種型式的記憶體單元一般稱為多級單元(MLC)。多級相變化記憶體元件為一低成本且具有高記憶體容量的非揮發性記憶體元件。在一多級相變化記憶體元件中，其具有一中間狀態，介於一重設狀態與一設定狀態之間。

然而，對於包括含非晶材料硫化物的多級相變化記憶體元件，其含非晶材料硫化物的電阻會隨時間而向上漂移(遵守冪次定律(t/t₀ )^r ,r~0.1)，例如於1,000,000秒內，向上漂移4倍，如第1圖所示及Karpov所揭露者(J. Appl. Phys. 102,124503(2007))。此現象將造成多級相變化記憶體元件在操作上的問題，因兩相鄰電阻狀態須以1.5~2倍加以分離。

第2圖為一多級相變化記憶體單元其電阻與時間的關係圖，其資料已程式化進入一狀態11、一狀態10、一狀態01與一狀態00。新的程式化電阻狀態11於時間t₁ 的電阻R₀ 會與程式化電阻狀態10於時間t₂ 的電阻R₀ 混淆。而由於上述理由，使得以高位元密度技術操作多級相變化記憶體是被禁止的，除非使用可避免漂移結果的不同操作方法。而其他以例如二氧化鈦材料為主的非揮發性記憶體亦容易造成電阻漂移的現象(e.g.,B. J. Choi et al.,J. Appl. Phys. 98,033715(2005))。

美國專利U.S. Pat. Pub. 2009/0016100揭露一相變化記憶體元件及其讀取方法。此方法程式化一參考陣列與一讀取/寫入區塊。然而，此讀取/寫入操作及所需結構會造成過度的時間與功率消耗並佔用額外晶片面積，導致較高的製造成本。

本發明之一實施例，提供一種記憶體單元之讀取方法，包括：施予至少兩連續之讀取脈衝至一記憶體單元，以獲得至少兩讀取資料；以及藉由該至少兩讀取資料測定一活化能。

本發明之一實施例，提供一種記憶體單元之讀取方法，包括：施予一第一讀取脈衝至一記憶體單元，以加熱該記憶體單元至一第一溫度並獲得一第一讀取資料；轉換該第一讀取資料至一第一數位資料；儲存該第一數位資料於一移位暫存器；施予一第二讀取脈衝至該記憶體單元，以加熱該記憶體單元至一第二溫度並獲得一第二讀取資料；轉換該第二讀取資料至一第二數位資料；儲存該第二數位資料於該移位暫存器；計算該第一數位資料與該第二數位資料之比值，以獲得一商數；轉換該商數至一類比值；以及以一對數放大電路對該類比值取對數，以表示一活化能狀態。

為讓本發明之上述目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

一記憶體單元，例如一相變化記憶體單元，以一狀態儲存資訊。此狀態可由電阻及活化能(Ea)加以描繪。本發明一實施例提供一種藉由測定活化能以讀取狀態資訊的方法，以降低在一讀取操作中因電阻時間漂移所造成的讀取錯誤。

本發明以測定活化能(Ea)作為讀取資訊的方法以避免上述電阻漂移。活化能及記憶體單元狀態電阻可根據下列方程式加以測定。

R=A exp(E_a /kT)　方程式(I)

其中，A為正規化因子，E_a 為活化能，k為波次曼常數，T為絕對凱式溫度。活化能為一非晶與結晶組成混合物在相變化材料中的指標。再者，記憶體單元狀態電阻可由下列方程式加以測定。

R=A exp([E₀ +kTνln(t/t₀ )]/kT)　方程式(II)

其中，A為正規化因子，E_a 為結晶狀態活化能，k為波次曼常數，T為絕對凱式溫度，t、t₀ 為時間，ν為漂移係數。因此，非晶/結晶混合物狀態的活化能可根據下列方程式加以定義。

Ea=E₀ +kTνln(t/t₀ )　方程式(III)

一般相變化記憶體單元在室溫操作時，kT約為0.026eV，漂移係數(ν)約為0.1，E₀ 約為0.2Ev，t₀ 為1秒。因此，結晶狀態及非晶/結晶混合物狀態的活化能可根據下列方程式加以測定。

一般以Ge₂ Sb₂ Te₅ (GST)材料為主的相變化記憶體，其結晶狀態的活化能約為0.02eV，非晶狀態的活化能約為0.2eV。一非晶/結晶混合物狀態之間的活化能顯示於第3圖中。如第3圖所示，每一非晶/結晶混合物狀態(不同的非晶/結晶(a/c)比)具有對應且不重疊的活化能。

由於下列因素，活化能的操作原本即具有較電阻小的時間漂移。根據方程式(I)R=A exp(Ea/kT)，可得出下列方程式。

1/Ea x dEa/dt=(kT/Ea)x 1/R x dR/dt　方程式(V)

其中t為時間，R為電阻。

因此，活化能(Ea)改變的對數率為一kT/Ea因數，小於電阻(R)的對數率。本發明一實施例中，測定活化能的方法須要兩連續、交替且於兩不同溫度(第一溫度T₁ 、第一溫度T₂ )的電阻讀取(得到電阻R₁ 、R₂ )。上述兩不同溫度來自兩不同讀取功率輸入。根據以上描述及方程式(V)，電阻R₁ 與R₂ 之間的關係可以下列方程式表示之。

R₁ /R₂ =exp[Ea/k x(1/T₁ -1/T₂ )]　方程式(VI)

亦可寫成ln(R₁ /R₂ )=Ea/k x(1/T₁ -1/T₂ )　方程式(VII)

方程式(VII)中，對數比(ln(R₁ /R₂ ))與活化能(Ea)成正比，以下列方程式表示之。

結晶狀態的對數比(ln(R₁ /R₂ ))約為0。非晶狀態的對數比(ln(R₁ /R₂ ))最差為0.001~0.0001之間(其中活化能(Ea)約為0.2Ev，T₁ 為380K，T₂ 為400K)，如第4圖所示。結果，活化能漂移倍數(小於或等於30%)遠小於電阻漂移倍數(約4倍)。

如第2圖所示，若狀態10於時間t₂ 的電阻(R₁₀ (t₂ ))等於狀態11於時間t₁ 的電阻(R₁₁ (t₁ ))，則發生讀取錯誤。因此，若狀態10於時間t₂ 的活化能(Ea₁₀ (t₂ ))不等於或高於狀態11於時間t₁ 的活化能(Ea₁₁ (t₁ ))，則不致發生讀取錯誤。本發明一實施例中，提供一資料已程式化進入一狀態11、一狀態10、一狀態01與一狀態00的多級相變化記憶單元。狀態10於時間t₂ 的電阻(R₁₀ (t₂ ))及狀態11於時間t₁ 的電阻(R₁₁ (t₁ ))可根據下列方程式加以測定。

R₁₁ (t₁ )=A₁₁ exp(Ea₁₁ (t₁ )/kT)　方程式(IX)

R₁₀ (t₂ )=A₁₀ exp(Ea₁₀ (t₂ )/kT)　方程式(X)

當狀態10於時間t₂ 的電阻(R₁₀ (t₂ ))等於狀態11於時間t₁ 的電阻(R₁₁ (t₁ ))，則狀態10於時間t₂ 的活化能(Ea₁₀ (t₂ ))與狀態11於時間t₁ 的活化能(Ea₁₁ (t₁ ))之間的關係可根據下列方程式而獲得。

A₁₁ exp(Ea₁₁ (t₁ )/kT)=A₁₀ exp(Ea₁₀ (t₂ )/kT)　方程式(XI)

兩邊取對數後，方程式(XI)可根據下列方程式加以表示。

lnA₁₁ +Ea₁₁ (t₁ )/kT=lnA₁₀ +Ea₁₀ (t₂ )/kT　方程式(XII)

亦可寫成kT[lnA₁₁ -lnA₁₀ ]=Ea₁₀ (t₂ )-Ea₁₁ (t₁ )　方程式(XIII)

將相變化記憶體所量測的電阻率進行校正，如第3圖所示。A₀₀ 、A₀₁ 、A₁₀ 及A₁₁ 之間具有下列關係。

A₀₀ (結晶狀態)=5.5545e^-5 ohm-m>A₀₁ >A₁₀ >A₁₁ (非晶狀態)=4.5e^-6 ohm-m　方程式(XIV)

熔點時(GST材料約為900K)，電阻率會收斂。因此，A₀₀ 必須大於A₁₁ ，以補償活化能。由於A₁₀ >A₁₁ ，因此，方程式(XIII)kT[lnA₁₁ -lnA₁₀ ]=E_a10 (t₂ )-E_a11 (t₁ )<0。

上述相減為負值的差異表示E_a10 (t₂ )與E_a11 (t₁ )並未重疊，結果如第5圖所示。

第6圖係根據本發明一實施例，一多級相變化記憶體元件100的方塊圖。如第6圖所示，一陣列10可包括複數個記憶體單元，其儲存多位元資料於一感測放大電路(SA)20。雖未揭示於圖中，然，複數個記憶體單元可沿字元線橫向設置或沿位元線縱向設置。感測放大電路20可於一讀取操作過程中感測所選擇記憶體單元的資料。感測放大電路20提供一類比輸出信號至一類比/數位轉換器(ADC)30，以使類比/數位轉換器(ADC)30產生一數位輸出信號，儲存於一平移紀錄器40。平移紀錄器40以該第一信號進行重設，之後，將多位元資料由一階平移至另一階，以回應該第二信號。一計算單元70，用於計算平移紀錄器40所提供數位資料的比值，以獲得一商數(數位資料)。一數位/類比轉換器(DAC)80，轉換商數至一類比值。一對數放大電路(Log Amp)90，對類比值取對數，以表示一活化能狀態，並藉由一感測放大電路(SA)110置於一資料單元120。對數放大電路可例如為一與一二極體並聯以及與一電阻器串聯的操作放大器。一位址解碼器50，其在一寫入或讀取操作過程中，可解碼一外部提供的位址，並提供此已解碼位址至一選擇電路(未圖示)，以選擇至少一記憶體單元的一字元線與一位元線。此外，定址解碼器50與計算單元70可藉由一控制邏輯60加以控制。

本發明一實施例中，狀態資訊藉由活化能(Ea)加以描繪，活化能藉由兩電阻比值加以測定，而兩電阻藉由兩連續脈衝而讀取，其中每一脈衝設計用於加熱單元至兩不同溫度其中之一。兩讀取結果於進行一最終結果的讀出/比較之前，可儲存於一位於類比/數位轉換器之後的平移紀錄器。上述比較為數位資料的二進位比值，表示兩讀取結果。對於一特定活化能，參考周圍環境溫度，比值將為唯一。如第7圖所示，本發明一記憶體單元的讀取方法包括施予一第一讀取脈衝至一記憶體單元，以加熱記憶體單元至一第一溫度T₁ 並獲得一第一讀取資料R₁ (如步驟210所示)。之後，藉由一類比/數位轉換器30轉換第一讀取資料至一第一數位資料(如步驟220所示)。接著，儲存第一數位資料於一移位暫存器40(如步驟230所示)。之後，施予一第二讀取脈衝至記憶體單元，以加熱記憶體單元至一第二溫度T₂ 並獲得一第二讀取資料R₂ (如步驟240所示)。值得注意的是，第一溫度T₁ 與第二溫度T₂ 不同。接著，藉由一類比/數位轉換器30轉換第二讀取資料至一第二數位資料(如步驟250所示)。之後，儲存第二數位資料於移位暫存器(如步驟260所示)。接著，將儲存於移位暫存器的第一數位資料與第二數位資料提供至一計算單元70，以計算第一數位資料與第二數位資料之比值，獲得一商數(如步驟270所示)。之後，藉由一數位/類比轉換器80轉換商數至一類比值，並藉由一感測放大電路110(如步驟280所示)。最後，以一對數放大電路90對類比值取對數，以表示一活化能狀態，並藉由一感測放大電路110置於一資料單元120(如步驟290所示)。獲得的活化能狀態可進一步以一熱參考進行校正。

藉由本發明方法讀取的記憶體單元可為一相變化記憶體單元、一磁性隨機存取記憶體單元或一電阻式隨機存取記憶體單元。記憶體單元可包括一開關元件與一電阻元件。開關元件例如為一MOS電晶體或一二極體。電阻元件可包括一相變化層或一氧化電阻層。

本發明相變化記憶體單元的結構並不須特別限定，然，單元較佳具有一相對簡單的製程及可程式化，因此，非晶與結晶部分可以不同比例混合。例如，結構可簡單地包括一底電極，作為一加熱器，其上形成有一GST層。單元可藉由施予一重設脈衝進行程式化，以熔融一小部分GST，其中於施予一第二脈衝以對部分熔融區域進行回火形成結晶相之前，可容許部分冷卻時間。因此，可形成一非晶與結晶材料不同比例的光譜，而每一比例有相對應的活化能。之後，結合不同比例的區域以呈現一總有效活化能，並可藉由上述演算法讀取活化能。

一電阻式隨機存取記憶體單元具有兩主要狀態，即高電阻狀態(HRS)與低電阻狀態(LRS)。如第8圖所示，根據本發明一實施例，電阻式隨機存取記憶體單元中氧化電阻層(此處包含NiO)的電阻狀態為溫度依賴。如第9圖所示，NiO電阻式隨機存取記憶體單元於高電阻狀態的對數值ln(R₁ /R₂ )(與活化能成正比)隨時間表現穩定。因此，本發明記憶體單元的讀取方法亦可應用於電阻式隨機存取記憶體單元。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

00、01、10、11．．．狀態

10．．．陣列

20、110．．．感測放大電路

30．．．類比/數位轉換器

40．．．平移紀錄器

50．．．位址解碼器

60．．．控制邏輯

70．．．計算單元

80．．．數位/類比轉換器

90．．．對數放大電路

120．．．資料單元

210．．．施予一第一讀取脈衝至一記憶體單元，以加熱記憶體單元至一第一溫度T₁ 並獲得一第一讀取資料R₁

220．．．轉換第一讀取資料至一第一數位資料

230．．．儲存第一數位資料於一移位暫存器

240．．．施予一第二讀取脈衝至記憶體單元，以加熱記憶體單元至一第二溫度T₂ 並獲得一第二讀取資料R₂

205．．．轉換第二讀取資料至一第二數位資料

260．．．儲存第二數位資料於移位暫存器

270．．．計算第一數位資料與第二數位資料之比值，以獲得一商數

280．．．轉換商數至一類比值

290．．．對類比值取對數，以表示一活化能狀態

第1圖為一含非晶材料硫化物其電阻與時間的關係圖。

第2圖係根據一傳統記憶體單元的讀取方法，一多級相變化記憶體單元其電阻與時間的關係圖，其資料已程式化進入一狀態11、一狀態10、一狀態01與一狀態00。

第3圖為本發明之一實施例，不同非晶/結晶(a/c)比的電阻與活化能的關係圖。

第4圖為本發明之一實施例，對數比(ln(R₁ /R₂ ))與時間的關係圖。

第5圖係根據本發明之一實施例，一多級相變化記憶體單元其活化能與時間的關係圖，其資料已程式化進入一狀態11、一狀態10、一狀態01與一狀態00。

第6圖係根據本發明之一實施例，一多級記憶體元件的方塊圖。

第7圖係根據本發明之一實施例，製程步驟的流程圖。

第8圖係根據本發明之一實施例，一NiO電阻式隨機存取記憶體單元其電阻與時間的關係圖。

第9圖係根據本發明之一實施例，一NiO電阻式隨機存取記憶體單元其對數比(ln(R₁ /R₂ ))與時間的關係圖。