專利名稱：非易失性存儲器及其操作方法
技術領域：
本發(fā)明是有關于一種內(nèi)存組件及其操作方法，且特別是有關于一種非易失性存儲器(Non-Volatile Memory)及其操作方法。
現(xiàn)有技術一般來說，非易失性存儲器由多個導向(Steer)單元與多個存儲單元所構成。其中，各個導向單元例如是金屬氧化半導體(MOS)晶體管，用以控制各個存儲單元。另一方面，由于硫?qū)倩衔?Chalcogenide)具有受熱后會產(chǎn)生相變化(非晶態(tài)與結晶態(tài)之間的轉換)的特性，因此可以作為存儲單元之用。
公知以硫?qū)倩衔镒鳛榇鎯卧牧驅(qū)倩衔锎鎯卧?，在高操作電流下，組件集成度受限于MOS晶體管的尺寸而無法有效提升。解決上述問題的方式之一，系以可承受大電流的雙載子晶體管(BJT)取代原本的MOS晶體管。但是，雙載子晶體管并非集成電路(IC)產(chǎn)業(yè)的主流，因此仍有相關的制程技術有待克服。另一種方式則是以二極管取代原本的MOS晶體管，但是此二極管同樣亦無法承受高電流密度，因此會使得存儲單元微縮受到限制。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的就是在提供一種非易失性存儲單元，以縮小存儲單元的尺寸，進而提升集成度。
本發(fā)明的再一目的是提供上述的非易失性存儲器的操作方法，以解決公知操作電流受限的問題。
本發(fā)明提出一種非易失性存儲單元，此非易失性存儲單元由一臨界交換薄膜與一存儲交換薄膜所構成。其中，存儲交換薄膜為一存儲單元，而臨界交換薄膜為一導向單元。
此外，上述的臨界交換薄膜或存儲交換薄膜的材質(zhì)包括硫?qū)?Chalcogenide)化合物，而此硫?qū)倩衔锢缡擎N銻鍗合金(GeSbTe)、銀銦銻鍗合金(AgInSbTe)或鋁砷鍗合金(A1AsTe)。
另外，上述的非易失性存儲單元更包括第一電極層與第二電極層，且臨界交換薄膜及存儲交換薄膜配置在此第一電極層與此第二電極層之間。
此外，上述的非易失性存儲單元更包括接觸窗配置在臨界交換薄膜與存儲交換薄膜之間。
另外，上述的非易失性存儲單元更包括阻障層，配置在臨界交換薄膜與存儲交換薄膜之間，或是存儲交換薄膜與電極層之間，或是存儲交換薄膜與接觸窗之間。
本發(fā)明提出一種非易失性存儲器的操作方法，此非易失性存儲器由多個非易失性存儲單元、多個位元線與多個字元線彼此電性連接所構成，而且這些非易失性存儲單元由一導向單元與一存儲單元串聯(lián)而成，且此導向單元與存儲單元由可相變化的材料所構成。此操作方法系先于這些非易失性存儲單元中選定出一選定非易失性存儲單元，并且于這些位元線與這些字元線中選定出對應此選定非易失性存儲單元的一選定位元線與一選定字元線。接著，于選定字元線上施加一電壓，并且將選定位元線的電壓設定等于零，而其它的位元線與字元線設定為浮置狀態(tài)。
此外，上述的非易失性存儲器的操作方法適用于非易失性存儲器的程序化與讀取。
本發(fā)明提出又一種非易失性存儲器的操作方法，此非易失性存儲器由多個非易失性存儲單元、多個位元線與多個字元線彼此電性連接所構成，而且這些非易失性存儲單元由一導向單元與一存儲單元串聯(lián)而成，且此導向單元與存儲單元由可相變化的材料所構成。此操作方法系先于這些非易失性存儲單元中選定出一選定非易失性存儲單元，并且于這些位元線與這些字元線中選定出對應此選定非易失性存儲單元之一選定位元線與一選定字元線。接著，于選定字元線上施加第一電壓，并且將選定位元線的電壓設定等于零，而且于其它位元線與字元線上分別施加第二電壓與第三電壓，其中第二電壓與第三電壓小于第一電壓。
此外，上述的非易失性存儲器的操作方法適用于非易失性存儲器的程序化與讀取。
由于本發(fā)明的非易失性存儲單元由二層薄膜所構成，且此二膜層系分別作為導向單元與存儲單元之用。此非易失性存儲單元的尺寸可以縮小，從而組件集成度可以提升。而且，作為導向單元的可相變化的薄膜，相較公知的晶體管，在小尺寸下仍可承受高電流，因此可以有效解決存儲單元微縮的問題。
為讓本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，并配合所附圖式，作詳細說明如下。


圖1A繪示為具有存儲單元特性的可相變化的薄膜其電流與電壓的關系圖。
圖1B繪示為具有導向單元特性的薄膜其電流與電壓的關系圖。
圖2繪示為依照本發(fā)明的一較佳實施例的一種非易失性存儲單元的立體剖面示意圖。
圖3繪示為依照本發(fā)明的一較佳實施例的另一種非易失性存儲單元的立體剖面示意圖。
圖4繪示為依照本發(fā)明的一較佳實施例的一種存儲單元數(shù)組的示意圖。
圖5繪示為圖4中的單一存儲單元的示意圖。
圖6繪示為一種利用浮置法，操作本發(fā)明的存儲單元數(shù)組的示意圖。
圖7繪示為一種利用偏壓法，操作本發(fā)明的存儲單元數(shù)組的示意圖。
圖8繪示為一種利用V/2偏壓法，操作本發(fā)明的存儲單元數(shù)組的示意圖。
圖9繪示為一種利用V/3偏壓法，操作本發(fā)明的存儲單元數(shù)組的示意圖。
主要組件符號說明200、202可相變化的薄膜204、206電極層208阻障層210接觸窗400導向單元402存儲單元Q1～Q9、MCx、SMC存儲單元WLn-1～WLn+1、WLx、SWL字元線BLn-1～BLn+1、BLx、SBL位元線
V1～V4、E1～E2電壓具體實施方式
以下系以受熱后會產(chǎn)生相變化(非晶態(tài)與結晶態(tài)之間的轉換)的硫?qū)倩衔?，來說明本發(fā)明的可相變化的薄膜，然非用以限定本發(fā)明，其它具有類似性質(zhì)的材料亦可應用于本發(fā)明的可相變化的薄膜中。
由于不同組成比例的硫?qū)倩衔飼哂胁煌腛vonic轉換(OvonicSwitch)特性，因此本發(fā)明即利用此不同的Ovonic轉換特性，來選擇適合的硫?qū)倩衔锉∧?，作為存儲單元或?qū)騿卧?br> 詳細的說明是，作為存儲單元的硫?qū)倩衔锵稻哂腥鐖D1A所示的電壓與電流的關系曲線。當所施加的電壓小于此硫?qū)倩衔锏膯⑹茧妷?b所對應的電壓)時，其電壓與電流的關系曲線如曲線a-b所示。當所施加的電壓大于此硫?qū)倩衔锏膯⑹茧妷簳r，此硫?qū)倩衔飼煞墙Y晶態(tài)變成結晶態(tài)，從而阻值也隨之下降，因此其電壓與電流的關系曲線如曲線b-c所示，此時可將其視為「開啟(On)」。當將上述電壓(大于硫?qū)倩衔锏膯⑹茧妷?關閉時，電流會沿著曲線c-a回復至零。此時，硫?qū)倩衔锶詾榻Y晶態(tài)，即仍為「開啟」的狀態(tài)。因此，具有如圖1A所示的電壓與電流的關系曲線的硫?qū)倩衔锟梢砸越Y晶與非結晶來代表「0」或「1」，所以可以作為存儲單元之用。
另外，作為導向單元的硫?qū)倩衔锵稻哂腥鐖D1B所示的電壓與電流的關系曲線。當所施加的電壓小于此硫?qū)倩衔锏膯⑹茧妷?e所對應的電壓)時，其電壓與電流的關系曲線如曲線d-e所示。當所施加的電壓大于此硫?qū)倩衔锏膯⑹茧妷簳r，此硫?qū)倩衔飼妷罕罎?，從而阻值也隨之下降，因此其電壓與電流的關系曲線如曲線e-f所示，此時可將其視為「開啟」。當將上述電壓(大于硫?qū)倩衔锏膯⑹茧妷?關閉時，電流會由曲線f-e-d回復至零。此時，硫?qū)倩衔飼貜统稍瓉淼姆墙Y晶態(tài)，即可將其視為「關閉(Off)」。因此，具有如圖1B所示的電壓與電流的關系曲線的硫?qū)倩衔镱愃朴诙O管，可以作為導向組件之用。
以下系以表1作更進一步的說明。
表1

由表1可知，材料A由于所需的結晶時間較長，因此即使是以脈沖寬度較大的第二脈沖進行加熱，仍會回復原本的非結晶狀態(tài)。因此，材料A適用于導向單元。材料B由于所需的結晶時間較短，因此當是以脈沖寬度較大的第二脈沖進行加熱，會開始結晶，且當此第二脈沖消失后，仍會繼續(xù)保持結晶狀態(tài)。因此，材料B適用于存儲單元。
在一較佳實施例中，上述的硫?qū)倩衔锢缡擎N銻鍗合金(GeSbTe)、銀銦銻鍗合金(AgInSbTe)或鋁砷鍗合金(AlAsTe)，且不同的合金比例系具有不同的Ovonic轉換特性。例如，鋁砷鍗合金Al20As5Te75其電壓與電流的關系曲線如圖1A所示，因此可以作為存儲單元；而不同組成的鋁砷鍗合金Al20As15Te65、Al20As25Te55、Al20As35Te45其電壓與電流的關系曲線如圖1B所示，因此可以作為導向單元。
圖2是繪示依照本發(fā)明一較佳實施例的一種非易失性存儲單元的立體剖面示意圖。
請參照圖2，本發(fā)明的非易失性存儲單元由二硫?qū)倩衔锉∧?00、202所構成，且硫?qū)倩衔锉∧?02配置在硫?qū)倩衔锉∧?00上。在一較佳實施例中，硫?qū)倩衔锉∧?00例如是具有如圖1A所示的電壓與電流的關系曲線，因此可作為存儲單元之用；而硫?qū)倩衔锉∧?02例如是具有如圖1B所示的電壓與電流的關系曲線，因此可作為導向單元之用。在另一較佳實施例中，此二硫?qū)倩衔锉∧?00、202亦可彼此交換，即硫?qū)倩衔锉∧?00作為導向單元之用，而硫?qū)倩衔锉∧?02作為存儲單元之用。
在一較佳實施例中，本發(fā)明的非易失性存儲單元除了上述二硫?qū)倩衔锉∧?00、202之外，更包括上下兩層電極層204與206，且此二硫?qū)倩衔锉∧?00、202配置在此二電極層204與206之間。
在另一較佳實施例中，本發(fā)明的非易失性存儲單元更包括阻障層208，配置在此二硫?qū)倩衔锉∧?00、202之間、硫?qū)倩衔锉∧?00與電極層204之間、或是硫?qū)倩衔锉∧?02與電極層206之間。其中，阻障層208的材質(zhì)例如是導電材料。
在又一較佳實施例中，本發(fā)明的非易失性存儲單元更包括接觸窗210，配置在此二硫?qū)倩衔锉∧?00、202之間(如圖3所示)，且阻障層208系配置在接觸窗210與硫?qū)倩衔锉∧?00及202之間。其中，接觸窗210的材質(zhì)例如是導電材料。
由于本發(fā)明的非易失性存儲單元由二層薄膜(例如硫?qū)倩衔锉∧?所構成，且此二膜層系分別作為導向單元與存儲單元之用。此非易失性存儲單元的尺寸可以縮小，從而組件集成度可以提升。
以下系說明上述非易失性存儲單元的操作方法。其中，由多個存儲單元Q1～Q9、多個位元線BLn-1～BLn+1與多個字元線WLn-1～WLn+1彼此電性連接所構成的存儲單元數(shù)組如圖4所示。而且，各個存儲單元Q1～Q9由一導向單元400與一存儲單元402串聯(lián)而成(如圖5所示)，其中導向單元400與存儲單元402由可相變化的材料所構成。特別是，圖4中的存儲單元Q1～Q9其剖面結構并不限于上述實施例所揭示的結構，其只要導向單元400與存儲單元402以串聯(lián)方式電性連接且由可相變化的材料構成，皆可采用下述的操作方法。
在本發(fā)明中，適用于存儲單元Q1～Q9的操作方法例如是浮置法(Floating Method)與偏壓法(Biased Method)其中之一，此二操作方法系適于存儲單元Q1～Q9的程序化與讀取。其詳細說明如下。
請參照圖6，其繪示一存儲單元數(shù)組的示意圖。本發(fā)明的操作方法系先于多個存儲單元中選定出一選定存儲單元SMC，并且于多數(shù)條位元線與多數(shù)條字元線中選定出對應此選定存儲單元SMC的選定位元線SBL與選定字元線SWL。而其它未被選定的存儲單元、位元線與字元線系分別以標號MCx、BLx與WLx表示。
接著，于選定字元線SWL上施加一電壓V1，并且將選定位元線SBL的電壓設定等于零，而其它非選定位元線BLx與字元線WLx設定為浮置狀態(tài)。此時，施加于選定存儲單元SMC的電壓為V1，而其它位于各個非選定位元線BLx與非選定字元線WLx的非選定存儲單元MCx，僅會受到介于-V1至V1的范圍的電壓影響。如此將可以有效改善漏電流的問題。
以下系以表2說明利用浮置法，程序化選定存儲單元SMC，各個字元線與位元線所需施加的電壓。
表2

Vpl較低的程序化電壓(V1)Vph較高的程序化電壓(V1)[偏壓法]請參照圖7，其繪示一存儲單元數(shù)組的示意圖。本發(fā)明的操作方法系先于多個存儲單元中選定出一選定存儲單元SMC，并且于多數(shù)條位元線與多數(shù)條字元線中選定出對應此選定存儲單元SMC的選定位元線SBL與選定字元線SWL。而其它未被選定的存儲單元、位元線與字元線系分別以標號MCx、BLx與WLx表示。
接著，于選定字元線SWL上施加電壓V2，并且將選定位元線SBL的電壓設定等于零，且其它非選定位元線BLx與字元線WLx上分別施加電壓V3與電壓V4。其中，電壓V3與電壓V4小于電壓V2。此時，施加于選定存儲單元SMC的電壓為V2。
以下系以表3說明利用偏壓法，程序化選定存儲單元SMC，各個字元線與位元線所需施加的電壓。
表3

Vpl較低的程序化電壓(V2)Vph較高的程序化電壓(V2)在一較佳實施例中，上述的偏壓法例如是V/2偏壓法。其系假設電壓V2為E1時，則電壓V3與電壓V4系設定為E1/2(如圖8所示)。此時，施加于選定存儲單元SMC的電壓為E1，而其它位于選定位元線SBL與選定字元線SWL的非選定存儲單元MCx，僅會受到E1/2電壓的影響。如此將可以有效改善漏電流的問題。
以下以表4說明利用V/2偏壓法，程序化選定存儲單元SMC，各個字元線與位元線所需施加的電壓。
表4

Vpl較低的程序化電壓(E1)Vph較高的程序化電壓(E1)在另一較佳實施例中，上述的偏壓法例如是V/3偏壓法。其系假設電壓V2為E2時，則電壓V3與電壓V4分別設定為2E2/3與E2/3V(如圖9所示)。此時，施加于選定存儲單元SMC的電壓為E2，而其它位于選定位元線SBL與選定字元線SWL的非選定存儲單元MCx，僅會受到E2/3電壓的影響。另外，其它位于非選定位元線BLx與非選定字元線WLx的非選定存儲單元MCx’，僅會受到-E2/3電壓的影響。如此將可以有效改善漏電流的問題。
以下系以表5說明利用V/3偏壓法，程序化選定存儲單元SMC，各個字元線與位元線所需施加的電壓。
表5

Vpl較低的程序化電壓(E2)Vph較高的程序化電壓(E2)由于本發(fā)明作為導向單元的薄膜，相較公知的晶體管，在小尺寸下仍可承受高電流，因此可以有效解決細胞微縮的問題。
綜上所述，本發(fā)明至少具有下面的優(yōu)點1.由于本發(fā)明的非易失性存儲單元由二層薄膜所構成，且此二膜層系分別作為導向單元與存儲單元之用。此非易失性存儲單元的尺寸可以縮小，從而組件集成度可以提升。
2.由于本發(fā)明以兩層可相變化的薄膜分別作為導向單元與存儲單元，因此相較于公知需將晶體管等導向單元與存儲單元的制程相互整合，本發(fā)明的制程亦較為簡單。
3.本發(fā)明的非易失性存儲器可嵌入邏輯電路中，以形成系統(tǒng)單芯片(System on a chip，SOC)。另外，此非易失性存儲器具有較大的程序化與讀取的速度。而且，本發(fā)明的非易失性存儲器其程序化電壓(小于5V)亦小于閃存(～10V)。
雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何熟習此技術的人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當可作些許的更動與潤飾，因此本發(fā)明的保護范圍當視權利要求所界定的范圍為準。
權利要求
1.一種非易失性存儲單元，包括一臨界交換薄膜；以及一存儲交換薄膜，其中，該存儲交換薄膜為一存儲單元，而該臨界交換薄膜為一導向(Steer)單元，且作為該導向單元的薄膜，當施加大于其啟始電壓的一電壓時，會發(fā)生電壓崩潰，而當關閉該電壓時，則會回復的原本的狀態(tài)。
2.如權利要求1所述的非易失性存儲單元，其特征在于該存儲交換薄膜及該臨界交換薄膜的材質(zhì)包括一硫?qū)?Chalcogenide)化合物。
3.如權利要求2所述的非易失性存儲單元，其特征在于該硫?qū)倩衔锇ㄦN銻鍗合金(GeSbTe)、銀銦銻締合金(AgInSbTe)或鋁砷締合金(AlAsTe)。
4.如權利要求1所述的非易失性存儲單元，其特征在于更包括一阻障層，配置在該臨界交換薄膜與該存儲交換薄膜之間。
5.如權利要求1所述的非易失性存儲單元，其特征在于更包括一第一電極層與一第二電極層，且該臨界交換薄膜及該存儲交換薄膜配置在該第一電極層與該第二電極層之間。
6.如權利要求5所述的非易失性存儲單元，其特征在于更包括一第一阻障層，配置在該臨界交換薄膜與該第一電極層之間，以及該存儲交換薄膜與該第二電極層之間。
7.如權利要求5項或第6項的任一所述的非易失性存儲單元，其特征在于更包括一第二阻障層，配置在該臨界交換薄膜及該存儲交換薄膜之間。
8.如權利要求1所述的非易失性存儲單元，其特征在于更包括一接觸窗，配置在該臨界交換薄膜及該存儲交換薄膜之間。
9.如權利要求8所述的非易失性存儲單元，其特征在于更包括一阻障層，配置在該接觸窗與該臨界交換薄膜之間，以及該接觸窗與該存儲交換薄膜之間。
10.如權利要求8所述的非易失性存儲單元，其特征在于更包括一第一電極層與一第二電極層，且該臨界交換薄膜及該存儲交換薄膜配置在該第一電極層與該第二電極層之間。
11.如權利要求10所述的非易失性存儲單元，其特征在于更包括一第一阻障層，配置在該臨界交換薄膜與該第一電極層之間，以及該存儲交換薄膜與該第二電極層之間。
12.如權利要求10項或第11項的任一所述的非易失性存儲單元，其特征在于更包括一第二阻障層，配置在該接觸窗與該臨界交換薄膜，以及該接觸窗與該存儲交換薄膜之間。
13.一種非易失性存儲器的操作方法，該非易失性存儲器由多個非易失性存儲單元、多個位元線與多個字元線彼此電性連接所構成，而且該些非易失性存儲單元由一導向單元與一存儲單元串聯(lián)而成，且該導向單元與該存儲單元由可相變化的材料所構成，該操作方法包括于該些非易失性存儲單元中選定出一選定非易失性存儲單元，并且于該些位元線與該些字元線中選定出對應該選定非易失性存儲單元的一選定位元線與一選定字元線；以及于該選定字元線上施加一電壓，并且將該選定位元線的電壓設定等于零，而其它該些位元線與該些字元線設定為浮置狀態(tài)。
14.如權利要求13所述的非易失性存儲器的操作方法，其特征在于該操作方法適用于該非易失性存儲器的程序化或讀取。
15.一種非易失性存儲器的操作方法，該非易失性存儲器由多個非易失性存儲單元、多個位元線與多個字元線彼此電性連接所構成，而且該些非易失性存儲單元由一導向單元與一存儲單元串聯(lián)而成，且該導向單元與該存儲單元由可相變化的材料所構成，該操作方法包括于該些非易失性存儲單元中選定出一選定非易失性存儲單元，并且于該些位元線與該些字元線中選定出對應該選定非易失性存儲單元的一選定位元線與一選定字元線；以及于該選定字元線上施加一第一電壓，并且將該選定位元線的電壓設定等于零，而且于其它該些位元線與該些字元線上分別施加一第二電壓與一第三電壓，其中該第二電壓與該第三電壓小于該第一電壓。
16.如權利要求15所述的非易失性存儲器的操作方法，其特征在于該第一電壓為V，該第二電壓與該第三電壓為1/2V。
17.如權利要求15所述的非易失性存儲器的操作方法，其特征在于該第一電壓為V，該第二電壓為2/3V，該第三電壓為1/3V。
18.如權利要求15所述的非易失性存儲器的操作方法，其特征在于該操作方法適用于該非易失性存儲器的程序化或讀取。
全文摘要
一種非易失性存儲單元，其由一臨界交換薄膜與一存儲交換薄膜所構成。其中，存儲交換薄膜為一存儲單元，而臨界交換薄膜為一導向單元。
文檔編號H01L21/8239GK1797768SQ200410101680
公開日2006年7月5日 申請日期2004年12月20日 優(yōu)先權日2004年12月20日
發(fā)明者陳士弘, 陳逸舟 申請人:旺宏電子股份有限公司