本文討論OUM（Ovonic Unified Memory）的發展狀況，這種相位變化（Phrase-change）、非揮發性的半導體記憶體技術適合於VLSI獨立型記憶體以及各種嵌入型產品的應用。4Mb VLSI測試記憶體已被運用為研發平台，發展0.18μm 3V CMOS元件。OUM技術被視為高密度、低電壓、高cycle-count的非揮發性記憶體，其程式寫入的時間較其它記憶體來得短。OUM提供單元尺寸、製程複雜度、成本、寫入速度、運作循環（cycling）以及寫入與直接覆寫時記憶體耗電等方面的優勢。

OUM的資料儲存作業是透過類似可複寫CD或DVD光碟使用的硫屬合金材料（chalcogenide alloy）所製成的薄膜，藉由熱引起的相位變化在無規律（amorphous）與多晶排列（polycrystalline）的狀態之間進行切換。GexSbyTez合金薄膜中所產生的這種迅速、可逆的結構變化，造成在讀取作業中金屬電阻系數產生改變。OUM採用短暫的電子脈衝達到無規律狀態（高電阻的Reset狀態）以及較低但稍長的電流脈衝，轉換至多晶排列狀態（低電阻的SET狀態）。接近底部電阻電極（resistive electrode）的合金，在programming pulse[1]期間，因焦耳熱效應而產生狀態變化。由於薄膜儲存程式的容量較小，故載入程式耗用的能量亦較小──適合支援各種可攜式通訊裝置。

(圖一)顯示OUM記憶體單元的cycling特性在示波器上顯示的軌跡。每條軌跡代表一組4階段的作業，在5MHz的時脈下進行寫入/讀取/write-complement/讀取的循環。8nS的reset脈衝套用在~5nS的下降階段（falling edge）。後續的讀取作業顯示電阻為85KΩ。下一波85nS的set脈衝造成2KΩ的電阻。set脈衝的開頭顯示元件的臨界電壓Vth約為0.6伏特。記憶體運作所需的最大元件電壓發生在重置程式脈衝，其電壓低於0.8伏特。圖中顯示21組相互重疊的示波器曲線在2E8的週期範圍內，在對數規律的時間間隔內持續出現。

《圖一　OUM記憶體的cycling特性在示波器上顯示的軌跡》

在0.18μm的顯影環境中，最大元件電壓為0.8伏特，二極體電壓在Reset階段下降至0.8～0.9伏特，讓系統能以1.0伏特的CMOS控制電路支援3伏特的CMOS運作。這種設計可避免快閃元件以及其它研發中的非揮發性記憶體需採用高電壓電晶體。在電晶體製造完成，再透過低溫OUM記憶體製程模組將OUM記憶體後緊密嵌入於邏輯元件中。

(圖二)顯示硫屬材料記憶體元件在SET與Reset狀態下的電流與電壓的特性。當元件在Reset狀態遭遇高於Vth門檻值的電壓時，元件切換至低電阻的動態狀態，讓元件能在低電壓的狀態下載入程式。圖中亦顯示在讀取電流與set/reset電流之間有明顯的間隔，讓元件能進行無阻礙的讀取。(圖三)顯示在經過可變振幅的電流脈衝之後記憶體單元的讀取電阻。在每次載入程式脈衝之間，電流脈衝的振幅會呈現遞增的現象。圖中顯示記憶體單元在SET與RESET狀態的初期狀況。

《圖二　電流-OUM單元在Reset與Set狀態下之元件電壓特性》 Read/SET/RESET模式、SET與RESET狀態、Vh（holding voltage）以及Vth（切換門檻電壓）

《圖三　元件電阻與程式載入電流脈衝》

記憶體陣列的運作狀況，如(圖四)所示，顯示陣列的選擇與取消選取的狀態。圖中沒有看到鄰近位元之間產生熱量干擾，和模擬時的狀況一致。沒有被定址的位元被完全取消選取，故在寫入或write-complement期間不會遇到半選取狀態（half select）的問題。

《圖四　記憶體陣列運作資料表，顯示選取與未選取狀態下的相關特性》

(圖五)顯示單一單元在5 MHz的循環週期下的SET與RESET電阻。OUM單元在超過1E12 SET/RESET的週期內呈現超過10倍的動態範圍（dynamic range），故能提供充裕的偵測範圍（sense margin）。

《圖五　單一記憶體單元的Set與Reset電阻與週期的數量成函數關係》

(圖六)顯微相片顯示的4Mbit測試晶片被用來作為記憶體單元陣列研發平台。記憶體陣列中的單元尺吋從5F2至8F2，並採用0.18μm顯影製程。4Mbit測試晶片由8組512Kbit電路層所組成。每個電路層含有16組32Kbit區塊，每個32Kbit區塊內含128列乘以256行的陣列，連結至16組IO通道。每個512Kbit電路層內含感測放大器與一組程式電路、控制電路以及支援獨立運作的X軸與Y軸解碼器。X軸與Y軸解碼器各自擁有其運作訊號（XEN與YEN），直接從接點（pad）發送，讓測試器能啟動X、Y或同時啟動兩組解碼器，以控制解碼的次序與時序。

《圖六　4Mb測試記憶體的顯微攝影相片》

寫入作業的時序由YEN控制。當YEN切換至「low」狀態時，liobus（local IO bus line）會預先充電至2V電壓，避免選取位元在YEN上升階段（rising edge）產生任何overshoot狀況。被選取的記憶體單元在YEN切換至「high」狀態時，就開始寫入資料。選取的WL為「gnd」選取的位元至liobus匯流排，並電流來源保持2伏特的偏移（biased）。所有未被選取的字元線（word line）的電壓會偏移至「Vdd」，所有未被選取位元線的電壓會偏移至「gnd」。電流來源為簡易的PMOS電流鏡象，而不是一組電荷泵（charge pump）。因此，系統僅須CMOS訊號就可進行寫入作業。Treset/Tset（YEN 在resetting/setting記憶體單元時的脈衝寬度）可在5ns至200ns的範圍間調整，而Ireset/Iset（記憶體單元的程式載入電流）可在100uA至1mA的範圍之間進行調整。

讀取作業的時序亦是由YEN控制。當YEN切換至「low」狀態時，liobus會預先充至VREF，感測放大器會進行等化（equalized）準備進行快速的感測。在YEN的上升階段時，liobus的預先充電會被關閉，liobus會配合記憶體單元資料讀取作業，切換VREF的high/low狀態。第1組感測放大器在10ns內達到穩定狀態後，系統會啟動開關訊號，放大第1階段的輸出訊號，並將新感測的資料載入至data latch區域。YEN 脈衝寬度低於12ns，可配合讀取作業的運作。(圖七)顯示包括YEN、LATCH、OE以及2組輸出訊號在內的讀取模擬作業中的訊號波型。

《圖七　資料通道模擬》

8組8option位元（CB＜0：63＞）用來重新設定測試晶片，以及測試不同狀況下的元件。例如，CB＜0：7＞控制設定與重設電流，以及不同的感測電流，CB＜8：15＞提供不同的時序控制組態，其中包括內部的YEN脈衝長度控制、XEN至YEN的扭曲控制。

儲存陣列cycling與各種可靠度參數和週圍的溫度呈函數關係，例如像寫入特性、資料保留、以及各種陣列故障機制與溫度間的關係。（作者Manzur Gill任職於英特爾；Tyler Lowrey任職於Ovonyx；John Park任職於Azalea）

參考資料:參考資料

[1] Stefan Lai and Tyler Lowrey, "OUM - A 180 nm Nonvolatile Memory Cell Element Technology For Stand Alone and EmbeddedApplications," IEDM 2001.