專利名稱：一種阻變存儲器單元的編程或擦除方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微電子領(lǐng)域，尤其涉及一種阻變存儲器單元的編程或擦除方法及裝置。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的Flash存儲器已經(jīng)不能滿足人們對大容量、低功耗存儲的需求。阻變存儲器單元(RRAM)由于具有結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、密度高、操作速度快、與CMOS工藝兼容和易于3D集成等優(yōu)點而受到廣泛的關(guān)注，是最有前途的下一代非揮發(fā)存儲器之一。盡管如此，圖I所示的阻變存儲器單元的阻變參數(shù)(如\et、VEeset電壓) 的離散分布卻是其走向?qū)嵱没囊粋€瓶頸。為了改善阻變存儲器單元阻變參數(shù)的離散分布，人們提出了各種各樣的解決方法，如選擇合適的電極材料、對阻變材料層進行摻雜改性
坐寸ο圖2示出了在理想情況下具有雙極轉(zhuǎn)換特性的阻變存儲器單元的I-V特性曲線示意圖。如圖2所示，線201、202、203表示電阻由高阻態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥钁B(tài)的I-V曲線，當電壓從O開始向正方向逐漸增大到Vsrt時，電流急劇增大，表明存儲器電阻由高阻態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥钁B(tài)，稱為置位SET (編程)操作；線204至206表示電阻由低阻態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦咦钁B(tài)的I-V曲線， 當電壓從O開始由負方向逐漸增大到Vltesrt時，電流迅速減小，存儲器電阻由低阻態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦咦钁B(tài)，稱為復位RESET(擦除)操作。由圖2可以看出，在外加偏壓的作用下，阻變存儲器單元的電阻會在高低阻態(tài)之間發(fā)生轉(zhuǎn)換從而實現(xiàn)“O”和“ I”的存儲。阻變存儲器單元常規(guī)的編程(置位)和擦除(復位)操作方法如圖3所示對于一個初始態(tài)阻變存儲器單元，大多數(shù)都處于高阻態(tài)(HRS)，初始的單元并不具有阻變轉(zhuǎn)換特性，需要加一個與置位電壓(VSet)同向且高于VSet的電壓來激活其轉(zhuǎn)變特性，這個過程稱為激活過程301 (Forming)。激活后的單元處于低阻態(tài)(LRS)。在操作302中，外加一個幅值度很小(小于Vsrt和Vltesrt的絕對值)的脈沖，來讀取此時單元的存儲狀態(tài)。復位操作303 時，外加反向偏壓的脈沖，脈沖的高度為Vltesrt，阻變存儲器單元由低阻態(tài)(LRS)轉(zhuǎn)變?yōu)楦咦钁B(tài)(HRS),復位操作成功。此后可以進行一個讀操作304來驗證。置位操作305時,外加正向偏壓的脈沖，脈沖的高度為Vsrt，阻變存儲器單元由高阻態(tài)(HRS)轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥钁B(tài)(LRS)，置位操作成功。此后也可以進行一個讀操作306來驗證。由于編程電壓(Vsrt)和擦除電壓(VltesJ是很不穩(wěn)定的，有著很離散的分布，如圖 I所示，在上述常規(guī)的阻變存儲器單元的編程和擦除的操作方法中，編程和擦除時脈沖高度的選擇將是一件非常困難的事。電壓脈沖高度選擇過小時，則達不到有些存儲器單元的 Vsrt(或VltesJ電壓，電阻不會發(fā)生從高(低)阻態(tài)到低(高)阻態(tài)的轉(zhuǎn)變，編程(或擦除) 操作失??；當電壓脈沖高度選擇的過大時，會增加阻變存儲器單元外圍電路的制造成本，而且特別是在RESET的過程中還會引起RESET同SET過程的競爭-RESET過后器件又從高阻態(tài)SET回低阻態(tài)，導致阻變存儲器單元的不穩(wěn)定。這些對存儲器的編程和擦除操作是非常不利的。因此，改善阻變儲存器的阻變參數(shù)的離散分布，對其走向?qū)嵱没欠浅Ｖ匾摹?br>
發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述的技術(shù)問題，提供了一種阻變存儲器單元的編程或擦除方法及裝置，其目的在于，改善阻變存儲器單元的阻變參數(shù)分布。本發(fā)明提供了一種阻變存儲器單元的編程或擦除裝置，包括阻變存儲器單元502 和晶體管501，還包括串聯(lián)電阻503，信號發(fā)生器，電流檢測裝置和控制裝置；信號發(fā)生器，用于向所述阻變存儲器單元502輸入連續(xù)的階梯式脈沖電壓信號；電流檢測裝置，用于檢測所述串聯(lián)電阻503上的電流；控制裝置，用于判斷串聯(lián)電阻503上電流的檢測值是否符合預設(shè)條件，在檢測值符合預設(shè)條件時，控制信號發(fā)生器終止信號輸出，完成阻變存儲器單元的編程或擦除操作； 在進行編程操作時，所述預設(shè)條件為檢測值大于預設(shè)值；在進行擦除操作時，所述預設(shè)條件為檢測值小于預設(shè)值。在進行編程操作時，所述信號發(fā)生器向所述阻變存儲器單元502輸入正向連續(xù)的階梯式脈沖電壓信號；在進行擦除操作時，所述信號發(fā)生器向所述阻變存儲器單元502輸入負向連續(xù)的階梯式脈沖電壓信號。正向連續(xù)的階梯式脈沖電壓信號的初始值為0V-3V ;負向連續(xù)的階梯式脈沖電壓信號的初始值為0V-3V。正向連續(xù)的階梯式脈沖電壓信號的最大值為1V-6V ;負向連續(xù)的階梯式脈沖電壓信號的最大值為1V-6V。連續(xù)的階梯式脈沖電壓信號的脈沖寬度相同，并以恒定的幅度逐漸增加，該幅度的范圍為O. I V-ο. 5V。所述串聯(lián)電阻503連接在所述阻變存儲器單元502的上電極與所述信號發(fā)生器之間，所述阻變存儲器單元502的下電極連接所述晶體管501的漏極。本發(fā)明提供了一種阻變存儲器單元的編程方法，包括步驟1，對阻變存儲器單元502施加正向連續(xù)的階梯式脈沖電壓信號；步驟2，檢測串聯(lián)電阻503上的電流；步驟3，判斷串聯(lián)電阻503上電流的檢測值是否符合預設(shè)條件，在檢測值符合預設(shè)條件時，控制信號發(fā)生器終止信號輸出，完成阻變存儲器單元的編程操作。串聯(lián)電阻503連接在阻變存儲器單元502的上電極與信號發(fā)生器之間，阻變存儲器單元502的下電極連接晶體管501的漏極。所述預設(shè)條件為檢測值大于預設(shè)值。正向連續(xù)的階梯式脈沖電壓信號的初始值為0V-3V ;正向連續(xù)的階梯式脈沖電壓信號的最大值為1V-6V。正向連續(xù)的階梯式脈沖電壓信號的脈沖寬度相同，并以恒定的幅度逐漸增加，該幅度的范圍為O. I V-ο. 5V。本發(fā)明提供了一種阻變存儲器單元的擦除方法，包括步驟10，對阻變存儲器單元502施加負向連續(xù)的階梯式脈沖電壓信號；步驟20，檢測串聯(lián)電阻503上的電流；步驟30，判斷串聯(lián)電阻503上電流的檢測值是否符合預設(shè)條件，在檢測值符合預設(shè)條件時，控制信號發(fā)生器終止信號輸出，完成阻變存儲器單元的擦除操作。串聯(lián)電阻503連接在阻變存儲器單元502的上電極與信號發(fā)生器之間，阻變存儲器單元502的下電極連接晶體管501的漏極。負向連續(xù)的階梯式脈沖電壓信號的初始值為0V-3V ;負向連續(xù)的階梯式脈沖電壓信號的最大值為1V-6V。負向連續(xù)的階梯式脈沖電壓信號的脈沖寬度相同，并以恒定的幅度逐漸增加，該幅度的范圍為O. I V-ο. 5V。本發(fā)明能夠顯著改善阻變存儲器單元的阻變參數(shù)的離散分布，并且能提高器件的耐久性endurance，延長其使用壽命，并且本發(fā)明的技術(shù)方案簡單、直觀，而且速度較快，具有一定實用性的潛能。


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I為阻變存儲器單元的編程電壓Vsrt和擦除電壓Vltesrt的累積分布的示意2為在理想情況下具有雙極轉(zhuǎn)換特性的阻變存儲器單元的I-V特性曲線示意
3為阻變存儲器單元常規(guī)的編程和擦除操作方法的示意4為本發(fā)明中階梯狀的連續(xù)編程(或擦除)電壓脈沖信號示意5為本發(fā)明中單個阻變存儲器單元的編程和擦除裝置示意6為本發(fā)明中單個阻變存儲器單元的編程(或擦除)操作方法的流程圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。本發(fā)明提供了一種阻變存儲器單元的編程和擦除的操作方法，通過在阻變存儲單元上施加階梯式電壓脈沖，并實時監(jiān)測阻變存儲器單元上的電流來觀測其電阻的轉(zhuǎn)變狀態(tài)，從而完成阻變單元的編程和擦除操作。這種方法能夠顯著改善阻變存儲器單元阻變參數(shù)的離散分布。如圖5所示，本發(fā)明提供了單個阻變存儲器單元的編程和擦除裝置示意圖。電阻 503和阻變存儲器單元502的上電極相連，阻變存儲器單元502的下電極和晶體管501的漏極相連，構(gòu)成了 ITlR結(jié)構(gòu)，晶體管起著限流作用。脈沖發(fā)生器(PG2) 504起著輸入信號源的作用，它能夠按設(shè)計要求輸入如圖4所示的編程(或擦除)的電壓脈沖信號。示波器 505用來監(jiān)測流過串聯(lián)電阻503的電流，從而實時測量阻變存儲器單元502中的電流，并將測得的電流大小輸入到半導體參數(shù)測試儀506中。半導體參數(shù)測試儀506同時起到比較電流和控制脈沖發(fā)生器504工作狀態(tài)的作用，即從示波器505輸入進的電流與半導體參數(shù)測試儀506中預設(shè)定的參考值進行比較，并把比較的結(jié)果用來控制脈沖發(fā)生器504是否繼續(xù)輸出脈沖信號。圖5中，半導體參數(shù)測試儀506可以為Keithley 4200,HP 4155A，Agilent 4156C 等。階梯狀的連續(xù)脈沖編程電壓的初始高度由阻變存儲器單元的最小SET操作電壓決定，取OV 3V ;最大的脈沖幅值由阻變存儲器單元的最大SET操作電壓決定，取IV 6V ；脈沖的寬度相同而脈沖的高度逐漸增加，并且每次增加的幅度相同，取O. IV O. 5V。進一步，所述的階梯狀的連續(xù)脈沖擦除電壓的初始高度由阻變存儲器單元的最小 RESET操作電壓決定，取OV 3V ;最大的脈沖幅值由阻變存儲器單元的最大RESET操作電壓決定，取IV 6V ;脈沖的寬度相同而脈沖的高度逐漸增加，并且每次增加的幅度相同，取
O.IV O. 5V。以上所提及的電壓都是取絕對值后的電壓值。請參照圖6，其示出了依照本發(fā)明較佳實施例的單個阻變存儲器單元的編程(或擦除)操作方法的流程圖，具體包括。下面僅以編程操作方法為例來說明其具體的過程步驟601，對阻變存儲器單元進行一個讀操作，獲取其初始的存儲數(shù)據(jù)狀態(tài)，來判斷該單元是否需要進行編程操作；步驟602，若該單元初始就處于低阻態(tài)，則不需要進行編程操作，直接跳到步驟 606 ;否則，該單元初始就處于高阻態(tài)，需要進行編程操作，進入下一步驟603 ；步驟603，由脈沖發(fā)生器PG2產(chǎn)生如圖4所示的階梯狀的連續(xù)脈沖電壓，脈沖電壓的初始高度由阻變存儲器單元的最小置位操作電壓決定；最大的脈沖幅值由阻變存儲器單元的最大置位操作電壓決定；脈沖的寬度相同而脈沖的高度逐漸增加，并且每次增加的幅度相冋；步驟604，測量串聯(lián)電阻上的電流，通過在示波器上觀測串聯(lián)電阻中電流的變化， 來實時監(jiān)測阻變存儲器單元中的電阻變化狀態(tài)；步驟605，當在示波器上觀測到串聯(lián)電阻中電流增加時，并且此時的電流值大于半導體參數(shù)測試儀中的預設(shè)定的參考值時，說明阻變存儲器單元由高阻態(tài)(HRS)轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥钁B(tài)(LRS)，編程操作成功，此時由半導體參數(shù)測試儀終止脈沖發(fā)生器工作，輸入的脈沖信號停止；若串聯(lián)電阻上的電流值未大于半導體參數(shù)測試儀中的預設(shè)定的參考值時，說明此時阻變存儲器單元仍處在高阻態(tài)(HRS)，沒有發(fā)生置位過程，進入步驟607，否則進入步驟 606 ；步驟606，編程操作成功，停止輸入脈沖信號；步驟607，判斷此時輸入的脈沖高度是否超過最大脈沖幅度。若沒有超過最大脈沖幅度，轉(zhuǎn)到步驟604，直至編程操作成功為止；若超過最大脈沖幅度，進入步驟608 ；步驟608，編程操作失敗終止脈沖發(fā)生器的工作。圖6中也示出了阻變存儲器單元的擦除操作流程，其與阻變存儲器單元的編程操作基本類似，這里就不再贅述。本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不脫離權(quán)利要求書確定的本發(fā)明的精神和范圍的條件下，還可以對以上內(nèi)容進行各種各樣的修改。因此本發(fā)明的范圍并不僅限于以上的說明，而是由權(quán)利要求書的范圍來確定的。
權(quán)利要求
1.一種阻變存儲器單元的編程或擦除裝置，包括阻變存儲器單元(502)和晶體管 (501)，其特征在于，還包括串聯(lián)電阻(503)，信號發(fā)生器，電流檢測裝置和控制裝置；串聯(lián)電阻(503)與所述阻變存儲器單元(502)串聯(lián)；信號發(fā)生器，用于向所述阻變存儲器單元(502)輸入連續(xù)的階梯式脈沖電壓信號；電流檢測裝置，用于檢測所述串聯(lián)電阻(503 )上的電流；控制裝置，用于判斷串聯(lián)電阻(503)上電流的檢測值是否符合預設(shè)條件，在檢測值符合預設(shè)條件時，控制信號發(fā)生器終止信號輸出，完成阻變存儲器單元的編程或擦除操作；在進行編程操作時，所述預設(shè)條件為檢測值大于預設(shè)值；在進行擦除操作時，所述預設(shè)條件為檢測值小于預設(shè)值。
2.如權(quán)利要求I所述的阻變存儲器單元的編程或擦除裝置，其特征在于，在進行編程操作時，所述信號發(fā)生器向所述阻變存儲器單元(502)輸入正向連續(xù)的階梯式脈沖電壓信號；在進行擦除操作時，所述信號發(fā)生器向所述阻變存儲器單元(502)輸入負向連續(xù)的階梯式脈沖電壓信號。
3.如權(quán)利要求2所述的阻變存儲器單元的編程或擦除裝置，其特征在于，正向連續(xù)的階梯式脈沖電壓信號的初始值為0V-3V ;負向連續(xù)的階梯式脈沖電壓信號的初始值為 0V-3V。
4.如權(quán)利要求3所述的阻變存儲器單元的編程或擦除裝置，其特征在于，正向連續(xù)的階梯式脈沖電壓信號的最大值為1V-6V;負向連續(xù)的階梯式脈沖電壓信號的最大值為 1V-6V。
5.如權(quán)利要求1-4任意一項所述的阻變存儲器單元的編程或擦除裝置，其特征在于， 連續(xù)的階梯式脈沖電壓信號的脈沖寬度相同，并以恒定的幅度逐漸增加，該幅度的取值范圍為 O. 1V-0. 5V。
6.如權(quán)利要求1-4任意一項所述的阻變存儲器單元的編程或擦除裝置，其特征在于， 所述串聯(lián)電阻(503)連接在所述阻變存儲器單元(502)的上電極與所述信號發(fā)生器之間， 所述阻變存儲器單元(502)的下電極連接所述晶體管(501)的漏極。
7.一種阻變存儲器單元的編程方法，其特征在于，包括步驟1，對阻變存儲器單元(502)施加正向連續(xù)的階梯式脈沖電壓信號；步驟2，檢測串聯(lián)電阻(503 )上的電流；步驟3，判斷串聯(lián)電阻(503)上電流的檢測值是否符合預設(shè)條件，在檢測值符合預設(shè)條件時，控制信號發(fā)生器終止信號輸出，完成阻變存儲器單元的編程操作。
8.如權(quán)利要求7所述的阻變存儲器單元的編程方法，其特征在于，串聯(lián)電阻(503)連接在阻變存儲器單元(502)的上電極與信號發(fā)生器之間，阻變存儲器單元(502)的下電極連接晶體管(501)的漏極。
9.如權(quán)利要求7或8所述的阻變存儲器單元的編程方法，其特征在于，所述預設(shè)條件為檢測值大于預設(shè)值。
10.如權(quán)利要求7或8所述的阻變存儲器單元的編程方法，其特征在于，正向連續(xù)的階梯式脈沖電壓信號的初始值為0V-3V ;正向連續(xù)的階梯式脈沖電壓信號的最大值為1V-6V。
11.如權(quán)利要求7或8所述的阻變存儲器單元的編程方法，其特征在于，正向連續(xù)的階梯式脈沖電壓信號的脈沖寬度相同，并以恒定的幅度逐漸增加，該幅度的取值范圍為O. 1V-0. 5V。
12.—種阻變存儲器單元的擦除方法，其特征在于，包括步驟10，對阻變存儲器單元(502)施加負向連續(xù)的階梯式脈沖電壓信號；步驟20，檢測串聯(lián)電阻(503 )上的電流；步驟30，判斷串聯(lián)電阻(503)上電流的檢測值是否符合預設(shè)條件，在檢測值符合預設(shè)條件時，控制信號發(fā)生器終止信號輸出，完成阻變存儲器單元的擦除操作。
13.如權(quán)利要求12所述的阻變存儲器單元的擦除方法，其特征在于，串聯(lián)電阻(503)連接在阻變存儲器單元(502)的上電極與信號發(fā)生器之間，阻變存儲器單元(502)的下電極連接晶體管(501)的漏極。
14.如權(quán)利要求12或13所述的阻變存儲器單元的擦除方法，其特征在于，負向連續(xù)的階梯式脈沖電壓信號的初始值為0V-3V ;負向連續(xù)的階梯式脈沖電壓信號的最大值為 1V-6V。
15.如權(quán)利要求12或13所述的阻變存儲器單元的擦除方法，其特征在于，負向連續(xù)的階梯式脈沖電壓信號的脈沖寬度相同，并以恒定的幅度逐漸增加，該幅度的取值范圍為 O. 1V-0. 5V。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種阻變存儲器單元的編程或擦除方法及裝置，該裝置包括阻變存儲器單元(502)和晶體管(501)，串聯(lián)電阻(503)，信號發(fā)生器，電流檢測裝置和控制裝置；串聯(lián)電阻(503)與阻變存儲器單元(502)串聯(lián)；信號發(fā)生器，用于向阻變存儲器單元(502)輸入連續(xù)的階梯式脈沖電壓信號；電流檢測裝置，用于檢測串聯(lián)電阻(503)上的電流；控制裝置，用于判斷串聯(lián)電阻(503)上電流的檢測值是否符合預設(shè)條件，在檢測值符合預設(shè)條件時，控制信號發(fā)生器終止信號輸出，完成阻變存儲器單元的編程或擦除操作。本發(fā)明能夠顯著改善阻變存儲器單元的阻變參數(shù)的離散分布，并且能提高器件的耐久性，延長其使用壽命。
文檔編號G11C16/14GK102610272SQ201110021108
公開日2012年7月25日 申請日期2011年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月19日
發(fā)明者劉明, 劉琦, 呂杭炳, 王明, 龍世兵 申請人:中國科學院微電子研究所