TW200926406A - Phase change memory - Google Patents

Description

200926406 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種記憶體’特別有關於一種相變化 記憶體（Phase Change Memory ’ PCM)。 【先前技術】 第1圖圖解一傳統相變化記憶體，圖中包括字元線WLn 上對應位元線BL.i、BLm以及BLm+1的三個記憶體單元。 圖中以兩部分描述傳統相變化記憶體：一為相變化裝置的 ❹剖面圖（102)，一為控制該相變化裝置的電晶體之電路圖 (104)。以字元線WLn上對應位元線BLm_〗之相變化記憶單 元為例，其中包括一頂層電極106(top electrode)、一介質 孔 108(via hole)、一保護層 ll〇(cap layer)、一相變化物質 112(phase change element)、一 加熱器 114(heater)、一底層 電極116(bottom electrode)、以及一電晶體118。頂層電極 106耦接位元線ΒΙ^_〗。電晶體118具有一第一端耦接底層 電極116、一第二端耦接一參考電位Vref(例如接地端）、以 ❹及一控制端耗接字元線WLn。當此記憶體單元被選取時， 字元線WLn上的信號將導通電晶體118，以令位元線 BLm·〗、頂層電極1〇6、介質洞1〇8、保護層11〇、相變化物 質112、加熱器114、底層電極116、與電晶體118呈一通 路’使加熱器114得以對相變化物質U2動作。在寫入資 料動作中’加熱器114將施予相變化物質112能量，令其 為一非晶態（amorphous)或一晶態（crystallinep相變化物質 於非晶態時具有高電阻值，於晶態時具有低電阻值；分別 200926406 代表資料τ與’〇’。 參閱第1圖，傳統相變化記憶體之位元線信號乃由頂 層電極輸入；因此，每個相變化記憶單元需要獨立的頂層 電極以耦接各自所對應的位元線。此外，如圖所示，傳統 相變化記憶體針對每個相變化記憶單元配置專屬的介質 Ο 孔、保護層、相變化物質、加熱器、底層電極與電晶體； 各相變化記憶單元的相變化物質是分開不相連的。隨著製 程尺寸縮小、記憶體容量變大，各相變化記憶單元之相變 化物質彼此之間的空間會愈來愈小，其製作也會愈來愈困 難。為了準確分隔各相變化記憶單元之相變化物質，在微

影過程(photo-lithography)中甚至必須應用到高成本的AriF 頁光技術。此外，由於各相變化物質之間的間隔實在過小， 故在姓刻過程（etch)中，很容易有電漿引起破壞 (Plasma-induced damage)發生。上述電漿引起破壞會損室 變化物質。 、目 為了應付現今製程技術的發展與製作大容量的相 冗憶體，本發明領域需要-種新的相變化記,_技 傳統相變化記憶體所面臨的上述問題。 【發明内容】 本發明提供一種相變化記憶體，其中包括 頂‘層電 極、一相變化物質、複數個介質孔、一第一、 第三以及一第四加熱器、一第——第二、一第二以及— 第四底層電極、以及一第一、一第二、一第三以：： 電晶體。該等介質孔位於該頂層電極與該相變化物質 第 之 7 200926406 間。該等加熱器分別瞄準該相變化物質的不同區域，所瞄 準之區域組成一 2x2之相變化記憶單元矩陣。該等底層電 極分別耦接該等加熱器，作為該等加熱器之輸入端。該等 電晶體分別對應該等底層電極並且各自具有一第一端耦接 所對應之底層電極。其中，該第一電晶體具有一第二端接 收一第一位元線信號、一控制端接收一第一字元線信號； 該第二電晶體具有一第二端接收一第二位元線信號、一控 制端接收上述第一字元線信號；該第三電晶體具有一第二 ❹ 端接收上述第一位元線信號、一控制端接收一第二字元線 信號；並且該第四電晶體具有一第二端接收上述第二位元 線信號、一控制端接收上述第二字元線信號。 在其他實施方式中，本發明所提供之相變化記憶體中 包括：一頂層電極、複數個介質孔、一相變化物質、複數 個加熱器、複數個底層電極、以及複數個電晶體。該等介 質孔位於該頂層電極與該相變化物質之間。該等加熱器分 別瞄準該相變化物質的不同區域。該等底層電極對應上述 ❿ 加熱器，並且各自耦接所對應之上述加熱器。該等電晶體 對應上述底層電極，並且各自具有一第一端輕接所對應之 底層電極、一第二端接收該相變化記憶體之位元線信號、 以及一控制端接收該相變化記憶體之字元線信號。其中， 上述加熱器於該相變化物質上所瞄準的區域分別代表該相 變化記憶體的一個相變化記憶單元。 為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明 顯易懂，下文特舉出數個實施例，並配合所附圖式作詳細 8 200926406 說明。 【實施方式】 第2圖為本發明之相變化記憶體的一種實施方式，圖 中包括字元線WLn上對應位元線BLm_i、BLm以及BLm+i 的三個相變化記憶單元。圖中以兩部分描述本實施例之相 變化記憶體：一為相變化裝置的剖面圖（202)，一為控制該 相變化裝置的電晶體之電路圖（204)。如圖所示，本實施例 之相變化記憶體包括一頂層電極206、複數個介質孔208、 ❹一相變化物質210、複數個加熱器212、複數個底層電極 214、以及複數個電晶體216。該等介質孔208位於頂層電 極206與相變化物質210之間。該等加熱器212分別瞄準 相變化物質210的不同區域。該等底層電極214對應上述 加熱器212,並且各自耦接所對應之上述加熱器。該等電 晶體216對應上述底層電極214，並且各自具有一第一端 耦接所對應之底層電極、一第二端接收該相變化記憶體之 位元線信號（此例為位元線BLm-i、BLm、BLm+1之信號）、 ❹ 以及一控制端接收該相變化記憶體之字元線信號（此例為 字元線WLn之信號）。上述加熱器212於該相變化物質210 上所瞄準的區域分別代表該相變化記憶體的一個相變化記 憶單元。在寫入資料動作中，加熱器將施予能量至所瞄準 之相變化物質區域，令其為一非晶態或一晶態，其中，非 晶態代表資料’Γ，晶態代表資料’〇’。 與傳統技術相較，本實施例改由電晶體216之第二端 輸入位元線信號，而非如第1圖由頂層電極輸入位元線信 9 200926406 號；此外，本實施例令複數個相變化記憶單元共用同一個 頂層電極206(搞接一參考電位Vref，例如接地），而非如第 1圖各個相變化記憶單元擁有各自的頂層電極。 此外，本實施例令複數個相變化記憶單元共用同一塊 相變化物質（210);因此，製作小尺寸大容量的記憶體時， 本發明的微影過程不需要使用到高價的黃光技術（例如 ArF)，僅須使用價格較低廉的黃光技術(例如KrF)即可有良 好的效果。由於相變化物質210不需要針對各相變化記憶 ❾ 單元分割成小區塊，故相變化物質210的體積較傳統技術 之相變化物質（例112)大，不容易發生電漿引起破壞。 如圖所示，本實施例令複數個相變化記憶單元共用同 一塊相變化物質（210)與同一塊頂層電極(206)，故介質孔 208不需針對每一個相變化記憶單元設置（對比第1圖針對 各相變化記憶單元設置的介質孔）。本實施例之介質孔(208) 可不與相變化記憶單元呈對應關係。 在某些實施方式中，相變化物質210上更覆蓋一保護 ❹ 層218。保護層218位於該相變化物質210與該等介質孔 208之間。 以驅動字元線WLn上對應位元線BLm_；i之相變化記憶 單元為例，字元線WLn2信號將導通所耦接之電晶體，以 令位元線BLm之信號得以驅動所耦接之加熱器對相變化 物質區域220加熱，以設定相變化物質區域220的狀態（晶 態或非晶態）。該相變化物質區域220為非晶態時，代表字 元線WLn上對應位元線BL&!之相變化記憶單元所儲存的 10 200926406 資料為’Γ;為晶態時，代表字元線WLn上對應位元線BLm-；! 之相變化記憶單元所儲存的資料為’ 〇 ’。 本實施例之相變化物質210可為GeSbTe(通常簡稱 GST)、或任何其他具有相變化性質的合成物。本實施例之 保護層之材料例如包括TiN或Ti/TiN，或其他具有同樣功 效的合成物。 第3圖為本發明之相變化記憶體的另一種實施方式。 圖中包括字元線WLn_!與WLn上對應位元線31^_1與BLm ❹ 的四個相變化記憶單元，此四個相變化記憶單元組成一 2x2之相變化記憶單元矩陣。圖中以兩部分描述本實施例 之相變化記憶體：一為相變化裝置的剖面圖（302)，一為控 制該相變化裝置的電晶體之電路圖（304)。如圖所示，本實 施例之相變化記憶體包括一頂層電極306、複數個介質孔 308、一相變化物質310、一第一、一第二、一第三與一第 四加熱器（Η!、H2、H3與H4)、一第一、一第二、一第三與 一第四底層電極(BE〗、BE2、BE3與BE4)、以及一第一、一 ❹ 第二、一第三與一第四電晶體(Μ〗、M2、M3與M4)。該等 介質孔308位於頂層電極306與相變化物質310之間。該 等加熱器Η!、H2、H3與H4分別瞄準相變化物質310的不 同區域。該等底層電極BE!、BE2、BE3與BE4分別雜接加 熱器氏、H2、H3與H4，作為所耦接之加熱器的輸入端。 該等電晶體MpMfMs與M4分別對應上述底層電極BE!、 BE2、BE3與BE4，並且各自具有一第一端耦接所對應之底 層電極。觀察第3圖，第一電晶體Μ!具有一第二端接收 200926406 位7G線k號BLm_丨、—控制端接收字元線信號u第二 電晶體M2具有—第二端接收位元線信號BLm、-控制端 接收字^線信號WLn];第三電晶龍3具有-第二端接收 ^70線BLn、—控制端接收字元線信號％ ;並且 々四電日日體M4具有―第：端接收位元線信號BLm、一控 制端接收字7C線信號％。該等加熱器％、％、氏與& 戶!瞒準之區域纟且成—2X2之相變化記憶單元矩陣。在寫入 ❹ ❹ 資料作中，加熱器將施予能量至所瞒準之相變化物質區 域7其為一非晶態或一晶態，其中，非晶態代表資料，以， 晶態代表資料’〇，。 一以驅動字元'線WLn上對應位元線U相變化記憶 皁兀為例’字70線WLn之信號將導通電晶體M3，以令位 兀j BLw之信號得以驅動所耦接之加熱器對其於相變化 物貝310上所瞄準區域加熱，以設定所瞄準之相變化物質 區域為晶態或非晶態；為非晶態時，代表字元線WLn上對 應位7L線BI^之相變化記憶單元所儲存的資料為，r ;為 時，代表字元線WLn上對應位元線BLml之相變化記 隐早元所儲存的資料為，〇，。 1某些實施方式中’相變化物f 31()上更覆蓋一保護 θ 。保護層312位於該相變化物f 31〇與該等介質孔 =。相變化物質31G可為(通常簡稱、 他具有相變化性質的合成物。保護層312的材料 ’ ^ ™或Tl/TlN，或其他具有同樣功效的合成物。 本發明雖以數個實施例揭露如上，然其並非用以限定 12 200926406 本發明的範圍，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之 精神和範圍内，當可做些許的更動與潤飾，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。

13 200926406 【圖式簡單說明】 第1圖圖解一傳統相變化記憶體； 第2圖為本發明之相變化記憶體的一種實施方式；以 及 第3圖為本發明之相變化記憶體的另一種實施方式。 【主要元件符號說明】 102〜傳統相變化記憶體之相變化裝置的剖面圖； ❹ 104〜控制相變化裝置102的電晶體之電路圖； 106〜頂層電極； 108〜介質孔； 110〜保護層； 112〜相變化物質； 114〜加熱器； 116〜底層電極； 118〜電晶體； ❹ 202〜本發明一實施例之相變化記憶體之相變化裝置的 剖面圖； 204〜控制相變化裝置202的電晶體之電路圖； 206〜頂層電極； 208〜介質孔； 210〜相變化物質； 212〜加熱器； 214〜底層電極； 14 200926406 216〜電晶體； 218〜保護層； 220〜字元線WLn上位元線BL^之相變化物質區域； 302〜本發明一實施例之相變化記憶體之相變化裝置的 剖面圖； 304〜控制相變化裝置302的電晶體之電路圖； 306〜頂層電極； 308〜介質孔； ❹ 310〜相變化物質； 312〜保護層； BE〗、BE2、BE3與BE4〜底層電極； BLnM、BLm以及BLm+广位元線； 氏、H2、H3與H4〜加熱器； 'Ml、M2、M^3與M4〜電晶體，

Vref~夢·考電位’以及 WLw、WLn〜字元線。 15

Claims (1)

1. 200926406 十、申請專利範圍： 1. 一種相變化記憶體，包括： 一頂層電極； 一相變化物質； 複數個介質孔，位於該頂層電極與該相變化物質之間； 一第一加熱器、一第二加熱器、一第三加熱器以及一 第四加熱器，分別瞄準該相變化物質的不同區域，其中上 述第一、第二、第三以及第四加熱器所瞄準之區域組成一 ❹ 2x2之相變化記憶單元矩陣； 一第一底層電極、一第二底層電極、一第三底層電極 以及一第四底層電極，分別耦接上述第一、第二、第三與 第四加熱器；以及 一第一電晶體、一第二電晶體、一第三電晶體以及一 第四電晶體，分別對應上述第一、第二、第三與第四底層 電極並且各自具有一第一端耦接所對應之底層電極，其中 該第一電晶體具有一第二端接收一第一位元線信號、一控 ® 制端接收一第一字元線信號，該第二電晶體具有一第二端 接收一第二位元線信號、一控制端接收上述第一字元線信 號，該第三電晶體具有一第二端接收上述第一位元線信 號、一控制端接收一第二字元線信號，並且該第四電晶體 具有一第二端接收上述第二位元線信號、一控制端接收上 述第二字元線信號。 2. 如申請專利範圍第1項所述之相變化記憶體，其中 該頂層電極耦接一參考電位。 16 200926406 3. 如申請專利範圍第1項所述之相變化記憶體，其中 該相變化物質為GeSbTe。 4. 如申請專利範圍第1項所述之相變化記憶體，其中 該相變化物質上更覆蓋一保護層，該保護層位於該相變化 物質與該等介質孔之間。 5. 如申請專利範圍第4項所述之相變化記憶體，其中 該保護層之材料包括TiN或Ti/TiN。 6. —種相變化記憶體，其中包括： © 一頂層電極“； 一相變化物質； 複數個介質孔，位於該頂層電極與該相變化物質之間； 複數個加熱器，分別瞄準該相變化物質的不同區域； 複數個底層電極，對應上述加熱器並且各自耦接所對 應之上述加熱器； 複數個電晶體，對應上述底層電極，並且各自具有一 第一端耦接所對應之底層電極、一第二端接收該相變化記 ❹ 憶體之位元線信號、以及一控制端接收該相變化記憶體之 字元線信號； 其中，上述加熱器於該相變化物質上所瞄準的區域分 別代表該相變化記憶體的一個相變化記憶單元。 7. 如申請專利範圍第6項所述之相變化記憶體，其中 該頂層電極耦接一參考電位。 8. 如申請專利範圍第6項所述之相變化記憶體，其中 該相變化物質為GeSbTe。 17 200926406 9. 如申請專利範圍第6項所述之相變化記憶體，其中 該相變化物質上更覆蓋一保護層，該保護層位於該相變化 物質與該等介質孔之間。 10. 如申請專利範圍第9項所述之相變化記憶體，其中 該保護層之材料包括TiN或Ti/TiN。 ❹ ❹ 18