1.1 前言
在現今的市場上，電子商品以輕薄短小、功能齊全為主要方向，對記憶體容量的需 求也越來越大，其中又以非揮發性記憶體(non-volatile memory)為市場主流，如隨身碟，
手機記憶卡…等，目前非揮發性記憶體的發展技術，以浮動閘極電晶體(floating-gate transistor)為最主要的記憶單元，然而隨著半導體技術的進步，電晶體體積持續微縮之 下，也使得記憶體的容量不斷增加；在摩爾定律中提到，大約間隔12-18 個月，晶片上 的電晶體數目能夠增加為兩倍，但是在電晶體微縮後，元件內部的物理特性會有所改 變，如 : 碰撞游離效應、短通道效應等，所以開發一個能因應未來元件發展，具有低功 率消耗、高密度存取，操作快速的新穎非揮發性記憶體元件是必須的。而在目前開發中 的非揮發性記憶體中，如 : MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory)、RRAM (Resistive Random Access Memory)，PCM (Phase Change Memory)…等，其中以相變化記 憶體(phase change memory, PCM)最具有前瞻性。
本論文總共分成六個章節，第二章說明相變化記憶體模型的實現以及理論的推導，
並且在模型中加入溫度的考量，使得模型更具備物理意義；第三章說明利用我們的模型 興實際元件所量測到的R-I 特性曲線進行擬合的步驟與結果；第四章主要探討相變化記 憶體在MLC(multi-level cell)操作上的應用，我們將提出不同的電流操作方式對於相變化 記憶體MLC 操作，並且比較其功率消耗；第五章主要著重於元件本身電阻漂移現象以 及環境溫度的討論；最後，第六章為本論文的結論。
1.2 元件材料與PCM結構
相 變 化 記 憶 體 (phase change memory, PCM) 亦 可 被 稱 為 Ovonic Unified Memory(OUM) ，相變化記憶體在 1968 年，由SR Ovshinsky所提出，其發現Te材料具記 憶的功用，並且有非常快速的結晶與非結晶的轉換，由於Te材料在室溫下的結晶狀態非 常不穩定，因此加入了Ge元素，雖然在結晶速度降低 1 至 2 個數量級，但是TeGe合金 在室溫下的結晶狀態較為穩定；另外，考量到記憶體大量的讀寫操作次數，最後在TeGe 合金加入了Sb元素，合成了Ge2Sb2Te5 (GST)，如圖 1-1所示，具備有快速且穩定的結晶 狀態與大量操作次數的新式記憶體材料[1]。
圖 1-1 Ge2Sb2Te5 (GST)化合物[2]
GST材料，目前已廣泛的應用在CD-DVD複寫片上，在光學儲存應用上，主要是利 用電射光束的強弱對GST材料加熱，進而產生不同的熱能來改變GST材料本身的結晶狀 態，因此可達到記憶的效果[3]。目前在國內外的研究上，已針對PCM根據不同的熱能可 以產生不同的結晶狀態，並將其應用在積體電路的領域中，預期可以取代目前的非揮發 性記憶技術。
典型的PCM結構圖如圖 1-2所示，主要是由上下層電極(top and bottom electrode)、
加熱器(heater)、以及主要材料GST構成PCM元件，經由電極輸入電流，由加熱器(heater) 對GST材料加熱，藉由不同的熱能產生不同的結晶變化，而PCM元件就是利用結晶狀態
圖 1-2 PCM元件結構圖[4]
1.3 PCM元件結晶狀態與電氣特性
PCM主要可以分為兩種結晶狀態：結晶態(crystalline state)與非結晶態(amorphous state)，結晶態亦可稱為Set狀態，在記憶體的邏輯應用上可視為邏輯「0」；而非結晶態 亦可稱為Reset狀態，在邏輯應用上可視為邏輯「1」。PCM元件可藉由改變輸入電流的 大小，經由加熱器(heater)對GST材料加熱，利用不同的熱能產生不同的結晶狀態，其溫 度對時間的關係圖如圖 1-3所示，當PCM元件狀態寫入至結晶態時，元件溫度必須大於 Tg (glass transition temperature，~300°C)，並且小於Tm (melting point，~600°C)；在寫入 至非結晶態時，元件溫度必須大於Tm，而後必須迅速降溫，使其溫度小於Tg，是為了避 免讓溫度介於Tg與Tm之間，讓PCM產生再次寫入至結晶態。而由圖 1-3我們可以清楚發 現，在寫入至結晶態時，需要比非結晶態更長的加熱時間，原因是因為在寫入至結晶態 時，需要較長的時間達到成核與結晶的動作，而我們定義寫入至結晶態所需要的時間為 TSet，需要大約 100 ns的加熱時間；寫入至非結晶態的寫入時間我們定義為TReset，加熱 時間大約為50 ns。
圖 1-3 溫度對時間關係圖[5]
如圖 1-3所示，PCM元件在不同的溫度下，有著不同的結晶狀態，而不同的結晶狀 態各自代表不同的電阻，在結晶態時，此時的PCM元件呈現較低阻抗的等效電阻，大約 1 KΩ，當在非結晶態時，此時的PCM元件呈現大阻抗的等效電並，大約 100 KΩ。
如圖 1-4所示為PCM元件I-V特性曲線圖，在寫入至非結晶態時，當電壓大於臨界電壓 (threshold voltage, Vth)時，此時PCM會進入動態電阻(dynamic-on resistance, Ron)區域，當 PCM元件進入動態電阻區域時，就記憶體電路而言，可視為寫入的動作。如圖 1-5所示 為PCM元件電阻對電流關係圖，由圖我們可以觀察到，根據兩種不同的初始狀態，各代 表不同的電阻值，隨著輸入電流的變化，可分別轉換至不同的狀態。當初始狀態為非結 晶狀態(Reset state)時，此時的PCM元件呈現高電阻狀態，當輸入電流大於 600 μA時，
此時PCM元件被寫入至結晶態，而當電流繼續加大超過 1200 μA時，PCM元件則被寫入 至非結晶態。當初始狀態為結晶態(Set state)時，此時的PCM元件呈現低電阻狀態，一開 始並不會改變PCM目前的狀態，直到輸入電流大於 1200 μA時，才會寫至非結晶態。其 中，圖 1-5也包含部份結晶狀態(partial Set or partial Reset)的變化，其變化區間介於 100 μA至 500 μA及 800 μA至 1200 μA，而我們也定義 600 μA為ISet電流，1300 μA為IReset電 流，由於PCM元件可依結晶狀態的不同而產生不同的電阻變化，因此PCM元件可被應用 於非揮發性記憶體。
圖 1-4 PCM I-V特性曲線圖[6] 圖 1-5 PCM R-I特性曲線圖[6]