CN102592667A - 编程电阻存储单元的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种编程电阻存储单元的方法和装置。该方法包括：采用第一编程脉冲对电阻存储单元进行编程操作；检测采用第一编程脉冲对电阻存储单元进行编程操作是否成功；以及在对电阻存储单元编程失败的情况下，采用第二编程脉冲对电阻存储单元进行编程操作，第二编程脉冲比第一编程脉冲的宽度长。本发明中，采用增长脉冲宽度的编程脉冲对电阻存储单元进行编程操作，可以大大提高电阻存储单元的反复擦写次数，延长其使用寿命。

Description

编程电阻存储单元的方法和装置

技术领域

本发明涉及微电子行业存储器技术领域，尤其涉及一种编程电阻存储单元的方法和装置。

背景技术

由于便携式电子设备的不断普及，非挥发存储器的市场需求迅速增长。闪存是目前非挥发存储器市场上的主流器件。但随着微电子技术节点不断向前推进，基于电荷存储机制的闪存技术遭遇诸如隧穿层不能随技术发展无限减薄以及与嵌入式系统集成等严重的技术瓶颈，迫使人们寻求下一代新型非挥发存储器。电阻随机存储器(Resistive Random AccessMemory)因其具有简单的器件结构、低压低功耗操作、擦写速度快和极佳的尺寸缩小性等优势，并且其材料与当前CMOS工艺兼容等特点引起高度关注。众多的材料体系被报道具有电阻转变特性，如有机材料，固态电解液材料，多元金属氧化物，二元金属氧化物等。在这些材料体系中，二元金属氧化物(ZrO₂、NiO、TiO₂、Ta₂O₅、CuO_x)等由于在组分精确控制、与CMOS工艺兼容性的潜在优势更加受到青睐。

图1是本发明现有技术施加到电阻存储单元的电脉冲的时序图。以初始阻态为高阻态为例，一系列置位脉冲(101，102)与用于读取电阻值大小的脉冲(103，104)交替地施加到RRAM器件上，若第一个置位脉冲101未能将电阻状态置位到低于基准低电阻值，则随后施加的置位脉冲102的脉宽相对于前一个置位脉冲的脉宽以指数规律增长。复位状态与之类似。

图2是本发明现有技术电阻存储单元的I-V特性曲线的示意图。由图2可知，在I象限和III象限分别表示出初始阻态为高电阻时的置位状态以及初始阻态为低电阻时的复位状态，电压扫描方向如图中箭头所示。置位时电压扫描方向为201-202；复位时电压扫描方向为203-204。在电脉冲作用下，电阻由较高阻态突变到一个较低阻态，称作置位，此处的较低阻态的大小由该电阻存储单元或阵列中置位后最大的低阻值确定。而在电脉冲作用下，电阻由较低阻态突变到一个较高阻态，称作复位，此处的较高阻态的大小由该电阻存储单元或阵列中复位后最小的高阻值确定。

图3是本发明现有技术电阻存储单元在多次扫描编程的示意图。实验中发现，置位和复位过程存在电压漂移现象，置位和复位电压是分布在一个区间范围(V_s1-V_s4，V_r1-V_r4)而不是一个固定的数值点。因此电阻存储单元在使用单一脉冲编程的过程中，一般为采用施加一个高于存储单元或阵列最大置位电压的电压脉冲编程，以图3为例，施加的置位脉冲必须大于V_s4，复位脉冲必须大于V_r4，才能确保编程成功。即使对于同一存储单元，由于工艺偏差等因素，同样存在置位与复位电压不均等的现象。

目前，通常采用最大化编程电脉冲来复位或置位电阻存储单元。虽然可以保证编程成功，但电阻存储单元在重复编程过程中，其电阻值不断在高低阻态之间来回循环编程，对于很多存储单元，最大化编程电脉冲会使得很多单元存在“过编程现象”，多余的电压或电流不断施加到存储单元上，将大大降低器件反复擦写的能力。

图4A是电阻存储单元中理想化的单极型电流电压曲线，图4B是电阻存储单元中理想化的双极型电流电压曲线，电阻的转变发生在同一极性上，称为单极性转变；如图4中，403-404为置位扫描曲线，401-402为复位扫描曲线，可以看到置位和复位发生在同一极性上。对于单极型电阻存储单元，因为在置位和复位中采取的电脉冲具有相似性，复位成功后，不及时停止对器件的脉冲激励很容易在余下的复位脉冲中发生二次置位。图5为本发明现有技术在单极型电阻存储单元中采用最大编程电脉冲发生的置位复位不稳定现象的示意图。上述置位与复位交叉的不稳定现象对于器件反复擦写极为不利，容易导致器件失效。

在实现本发明的过程中，发明人意识到现有技术存在如下缺陷：采用最大化编程电脉冲来复位和置位电阻存储单元所产生的“过编程现象”，将大大降低器件反复擦写的能力。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决上述缺陷，本发明提供了一种编程电阻存储单元的方法和装置，以提高器件反复擦写的能力，提高电阻存储单元的使用寿命。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种编程电阻存储单元的方法。该方法包括：采用第一编程脉冲对电阻存储单元进行编程操作；检测采用第一编程脉冲对电阻存储单元进行编程操作是否成功；以及在对电阻存储单元编程失败的情况下，采用第二编程脉冲对电阻存储单元进行编程操作，第二编程脉冲比第一编程脉冲的宽度长。

优选的，该编程电阻存储单元的方法中，第二编程脉冲的第二脉冲宽度相对第一编程脉冲的第一脉冲宽度以指数规律增长。

优选的，该编程电阻存储单元的方法中，在采用第二编程脉冲对电阻存储单元进行编程操作的步骤之后还包括：检测采用第N-1编程脉冲对电阻存储单元进行编程操作是否成功；以及在对电阻存储单元编程失败的情况下，采用第N编程脉冲对电阻存储单元进行编程操作，第N编程脉冲的第N脉冲宽度相对第N-1编程脉冲的第N-1脉冲宽度以指数规律增长。

优选的，该编程电阻存储单元的方法中，采用第N编程脉冲对电阻存储单元进行编程操作的步骤包括：检测第N脉冲宽度是否大于预设的最大脉冲宽度；当第N脉冲宽度小于预设的最大脉冲宽度，采用第N编程脉冲对电阻存储单元进行编程操作；当第N脉冲宽度大于预设的最大脉冲宽度，采用增加脉冲幅度的方式对电阻存储单元进行编程操作。

优选的，该编程电阻存储单元的方法中，编程操作包括置位操作和/或复位操作。对于置位操作，检测采用第一置位脉冲对电阻存储单元进行置位操作是否成功的步骤包括：检测电阻存储单元的电阻是否低于预设基准低电阻，如果是，表示置位操作成功，否则，表示置位操作失败。对于复位操作，检测采用第一复位脉冲对电阻存储单元进行复位操作是否成功的步骤包括：检测电阻存储单元的电阻是否高于预设基准高电阻，如果是，表示复位操作成功，否则，表示复位操作失败。

优选的，该编程电阻存储单元的方法中，基准低电阻值由电阻存储单元置位后的最大低阻值决定；和/或基准高电阻值由电阻存储单元复位后的最小高阻值决定。

根据本发明的另一个方面，提供了一种编程电阻存储单元的装置。该装置包括编程单元和检测单元，其中：编程单元，用于采用第一编程脉冲对电阻存储单元进行编程操作；并在对电阻存储单元编程失败的情况下，采用第二编程脉冲对电阻存储单元进行编程操作，第二编程脉冲比第一编程脉冲的宽度长；第一检测单元，与编程操作单元相连，用于检测采用第一编程脉冲对电阻存储单元进行编程操作是否成功。

(三)有益效果

本发明中，采用增长脉冲宽度的编程脉冲对电阻存储单元进行编程操作，可以大大提高电阻存储单元的反复擦写次数，延长其使用寿命。采用指数式增长脉宽对存储单元进行编程也可以大大提高器件编程速度和效率。另外，针对单极性存储单元，采用本发明提供的编程方式可以有效避免器件置位或复位成功后仍加在器件两端的“过编程脉冲”，从而避免器件失效，提高其耐受性，延长其使用寿命。

附图说明

图1是本发明现有技术施加到电阻存储单元的电脉冲的时序图；

图2是本发明现有技术电阻存储单元的I-V特性曲线的示意图；

图3是本发明现有技术电阻存储单元在多次扫描编程的示意图；

图4A是电阻存储单元中理想化的单极型电流电压曲线；

图4B是电阻存储单元中理想化的双极型电流电压曲线；

图5为本发明现有技术在单极型电阻存储单元中采用最大编程电脉冲发生的置位复位不稳定现象的示意图；

图6为本发明实施例编程电阻存储单元方法的流程图；

图7为本发明实施例对电阻存储单元进行编程的方法流程图；

图8为本发明实施例对阻变存储器进行置位和复位状态比较的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种编程电阻存储单元的方法。图6为本发明实施例编程电阻存储单元方法的流程图。如图6所示，本实施例包括：

步骤S602，采用第一编程脉冲对电阻存储单元进行编程操作；

步骤S604，检测采用第一编程脉冲对电阻存储单元进行编程操作是否成功；

步骤S606，在对电阻存储单元编程失败的情况下，采用第二编程脉冲对电阻存储单元进行编程操作，第二编程脉冲比第一编程脉冲的宽度长。

本实施例中，编程操作包括置位操作和复位操作。为清楚起见，本实施例中采用第一编程脉冲和第二编程脉冲的说法，但事实上，第一编程脉冲为第N-1编程脉冲，第二编程脉冲为第N编程脉冲。并且，优选地，第N编程脉冲的第N-1编程脉冲宽度相对第一编程脉冲的第一脉冲宽度以指数规律增长。

本实施例中，以指数式增长的脉冲宽度值取决于电阻存储单元的编程电压或电流的漂移分布情况。以指数式增长脉宽编程可以提高器件编程速度和效率，并且还可以大大减小置位或复位成功后仍加在器件两端的过编程脉冲，从而提高电阻存储单元的反复擦写次数，延长其使用寿命。此外，本实施例还可以改善在单极型阻变存储器中普遍存在的置位复位不稳定现象，在复位成功后及时停止脉冲激励，防止在余下复位脉冲对存储单元进行二次置位操作从而导致器件失效。

在本发明进一步的实施例当中，编程脉冲的宽度是有一定限制的。具体来讲，在图6中步骤S606采用第N编程脉冲对电阻存储单元进行编程操作的步骤可以包括：

步骤S6061，检测第N脉冲宽度是否大于预设的最大脉冲宽度，优选地，该预设的最大脉冲宽度为100ns；

步骤S6062，当第N脉冲宽度小于预设的最大脉冲宽度，采用第N编程脉冲对电阻存储单元进行编程操作；当第N脉冲宽度大于预设的最大脉冲宽度，采用增加脉冲幅度的方式对电阻存储单元进行编程操作，优选地，脉冲幅度增加量介于0.1-1V之间。

本实施例中，预设的最大脉冲宽度由电阻存储单元决定，不同的材料体系、器件结构、以及工艺的偏差等因素都会对预设的最大脉冲宽度产生影响。一般情况下，最大脉冲宽度一般为50-100ns。

本实施例中，对编程脉冲的宽度进行了限制，即当采用增加脉冲宽度不能成功编程的情况下，采用增加脉冲幅度的方法对电阻存储单元进行编程，从而防止过长时间的编程脉冲对电阻存储单元的负面效应，增加了编程成功的概率。

在本发明上述的实施例中，编程操作包括置位操作和/或复位操作。对于置位操作，检测采用第一置位脉冲对电阻存储单元进行置位操作是否成功的步骤包括：检测电阻存储单元的电阻是否低于预设基准低电阻，如果是，表示置位操作成功，否则，表示置位操作失败。对于复位操作，检测采用第一复位脉冲对电阻存储单元进行复位操作是否成功的步骤包括：检测电阻存储单元的电阻是否高于预设基准高电阻，如果是，表示复位操作成功，否则，表示复位操作失败。其中，基准低电阻值由电阻存储单元置位后的最大低阻值决定；和/或基准高电阻值由电阻存储单元复位后的最小高阻值决定。

与上述方法实施例对应，本发明还公开了一种编程电阻存储单元的装置。该装置包括编程单元和检测单元。编程单元，用于采用第一编程脉冲对电阻存储单元进行编程操作；并在对电阻存储单元编程失败的情况下，采用第二编程脉冲对电阻存储单元进行编程操作，第二编程脉冲比第一编程脉冲的宽度长。第一检测单元，与编程操作单元相连，用于检测采用第一编程脉冲对电阻存储单元进行编程操作是否成功。在下述的具体实施方式说明中，各附加技术特征均同时适用于方法实施例和装置实施例，而不再另行说明。以下将以置位操作和复位操作为例分别对本发明进行说明。

在本发明的实施例中，如果电阻存储单元的材料为非挥发性的阻性材料，那么电阻存储单元可以通过外加电脉冲被编程为至少两种存储状态，随之施加的电脉冲可以使电阻存储单元的阻值大小在高阻和低阻两种状态之间交替转换。应当指出的是，在另外的实施例中，电阻存储单元可能会被编程为两种以上的电阻状态，此种情况也应当视作本发明的适用范围之中。

此外，在电阻存储器领域，根据置位和复位是否在同一个电压方向来区分，可以将电阻存储单元分为单、双极性。若对于一个存储单元，置位和复位在同一个电压方向完成，则称为单极性；若置位和复位操作在相反的电压方向完成，则称为双极性操作。在下述实施例中，均是以单极性存储单元为例进行说明，但本领域的普通技术人员应当知晓，本发明对单、双极性存储单元均适用。

以初始数据状态为高阻值为某一实施例，参考图1，置位脉冲Set1被施加到电阻存储单元，通过该置位脉冲，使得电阻存储单元中电阻值发生从高到低的转变。初始置位脉冲Set1可以作为单脉冲施加约1ns至100ns。在某些实施例中，也可以使用多个脉冲施加初始置位脉冲Set1约1ns至100ns。

在施加初始置位脉冲到电阻存储单元后，由图1时序图可知，随着置位脉冲后的电脉冲用于读取施加完置位脉冲后的存储单元的电阻值，此处所加的电脉冲的脉冲幅度均应低于复位脉冲，以便通过该电脉冲不能执行意外的复位操作。

在读取完电阻值大小之后，将读取的电阻值与基准低阻值相比较，若低于基准低阻值，则说明置位操作成功；若电阻值未能发生突变或发生转变后的电阻值大小仍高于基准低阻值，则再次施加置位脉冲Set2，相对于初始置位脉冲，Set2的脉冲宽度是其的指数增长关系，更具体，施加的电脉冲时间更长，以便完成对存储单元的置位操作。

由流程图6可知，随着第二次置位脉冲Set2之后的电脉冲用于读取再次施加置位脉冲后的存储单元的电阻大小，并与基准低阻值进行比较，当所测得的电阻低于基准低电阻时，意味着置位切换已经被充分地执行，置位脉冲不再需要施加到电阻存储单元上，防止过量的电脉冲对电阻存储单元进行“过编程”，大大提高器件反复擦写的能力。

应当指出的是，此处用于判定是否需要继续以指数增长的脉冲脉宽继续编程的基准低电阻应由该电阻存储单元或阵列中置位后可以达到的低阻值中最大的低阻值来决定。

由流程图7可知，若多次操作，仍未能将电阻存储单元成功置位，且发现逐渐增加的置位脉冲的脉冲宽度已超过了脉冲宽度最大值，此时应该增加施加到电阻存储单元上的脉冲高度，一般取脉冲高度增加的幅度为0.1-1v，进一步对电阻存储单元进行重复置位和读操作，直到编程成功。

如上所述，采用逐渐地增加置位脉冲的脉冲宽度，并确认在每个单元中是否充分地执行了置位操作，在阻变存储器的每个基本单元中可以编程置位态。

此外，通过施加具有最小置位脉宽的电脉冲，可以减小置位编程成功后仍加在器件两端的电脉冲，防止器件“过编程”，提高器件反复擦写的能力，延长阻变存储器的使用寿命。

下面参考流程图7和图8说明阻变存储器编程复位态的方法。由时序图1可知，初始复位脉冲被施加到电阻存储单元。

在本发明的某些实施例中，初始复位脉冲的脉宽应大于初始置位脉冲的脉宽。初始复位脉冲Reset1可以作为单脉冲施加约1ns至100ns。在某些实施例中，也可以使用多个脉冲施加初始复位脉冲Reset1约1ns至100ns。

在施加初始复位脉冲到电阻存储单元后，由图1时序图可知，随着复位脉冲后的电脉冲用于读取施加完复位脉冲后的电阻存储单元的电阻值，此处所加的电脉冲的脉冲幅度均应低于置位脉冲，以便通过该电脉冲不能执行意外的置位操作。

在读取完电阻值大小之后，将读取的电阻值与基准高阻值相比较，若高于基准高阻值，则说明复位操作成功；若电阻值未能发生突变或发生转变后的电阻值大小仍低于基准高阻值，则再次施加复位脉冲Reset2，相对于初始复位脉冲，Reset2的脉冲宽度是其的指数增长关系，更具体，施加的电脉冲时间更长，以便完成对电阻存储单元的复位操作。

由流程图8可知，随着第二次复位脉冲Reset2之后的电脉冲用于读取再次施加复位脉冲后的电阻存储单元的电阻大小，并与基准高阻值进行比较，当所测得的电阻高于基准高电阻时，意味着复位切换已经被充分地执行，复位脉冲不再需要施加到电阻存储单元上，防止过量的电脉冲对电阻存储单元进行“过编程”，大大提高器件反复擦写的能力。

应当指出的是，此处用于判定是否需要继续以指数增长的脉冲脉宽继续编程的基准高电阻应由该电阻存储单元或阵列中复位后可以达到的高阻值中最小的高阻值来决定。

由流程图7可知，若多次操作，仍未能将电阻存储单元成功复位，且发现逐渐增加的复位脉冲的脉冲宽度已超过了脉冲宽度最大值，此时应该增加施加到电阻存储单元上的脉冲高度，一般取脉冲高度增加的幅度为0.1-1v，进一步对所述电阻存储单元进行重复复位和读操作，直到编程成功。如上所述，采用逐渐地增加置位脉冲的脉冲宽度，并确认在每个单元中是否充分地执行了置位操作，在阻变存储器的每个基本单元中可以编程置位态。

此外，通过施加具有最小置位脉宽的电脉冲，可以减小置位编程成功后仍加在器件两端的电脉冲，防止器件“过编程”，提高器件反复擦写的能力，延长阻变存储器的使用寿命。

应当指出的是，在编程复位态的时候，电流引起的热的效应起到了主导地位，因此，编程完成后多余的电脉冲加到器件两端，将会产生大量的热，大大降低了器件反复的次数。由流程图7可知，基准电阻值的设定以及变换脉宽的编程方式将会在编程完全后及时撤出电脉冲，大大提高器件反复擦写的次数，延长阻变存储器的使用寿命。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种编程电阻存储单元的方法，其特征在于，包括：

采用第一编程脉冲对所述电阻存储单元进行编程操作；

检测采用第一编程脉冲对所述电阻存储单元进行编程操作是否成功；以及

在对所述电阻存储单元编程失败的情况下，采用第二编程脉冲对所述电阻存储单元进行编程操作，所述第二编程脉冲比所述第一编程脉冲的宽度长。

2.根据权利要求1所述的编程电阻存储单元的方法，其特征在于：所述第二编程脉冲的第二脉冲宽度相对所述第一编程脉冲的第一脉冲宽度以指数规律增长。

3.根据权利要求2所述的编程电阻存储单元的方法，其特征在于，在采用第二编程脉冲对电阻存储单元进行编程操作的步骤之后还包括：

检测采用第N-1编程脉冲对所述电阻存储单元进行编程操作是否成功；以及

在对所述电阻存储单元编程失败的情况下，采用第N编程脉冲对所述电阻存储单元进行编程操作，所述第N编程脉冲的第N脉冲宽度相对所述第N-1编程脉冲的第N-1脉冲宽度以指数规律增长。

4.根据权利要求3所述的编程电阻存储单元的方法，其特征在于，所述采用第N编程脉冲对所述电阻存储单元进行编程操作的步骤包括：

检测所述第N脉冲宽度是否大于预设的最大脉冲宽度；

当所述第N脉冲宽度小于预设的最大脉冲宽度，采用第N编程脉冲对所述电阻存储单元进行编程操作；当所述第N脉冲宽度大于预设的最大脉冲宽度，采用增加脉冲幅度的方式对所述电阻存储单元进行编程操作。

5.根据权利要求4所述的编程电阻存储单元的方法，其特征在于，所述预设的最大脉冲宽度与以下因素中的一项或多项有关：

电阻存储单元的材料体系、器件结构或工艺条件。

6.根据权利要求4所述的编程电阻存储单元的方法，其特征在于，所述增加脉冲幅度的方式对所述电阻存储单元进行编程操作的步骤中，所述脉冲幅度增加量介于0.1-1V之间。

7.根据权利要求3所述的编程电阻存储单元的方法，其特征在于，所述编程操作包括置位操作和/或复位操作；

对于置位操作，所述检测采用第一置位脉冲对所述电阻存储单元进行置位操作是否成功的步骤包括：检测所述电阻存储单元的电阻是否低于预设基准低电阻，如果是，表示置位操作成功；否则，表示置位操作失败；

对于复位操作，所述检测采用第一复位脉冲对所述电阻存储单元进行复位操作是否成功的步骤包括：检测所述电阻存储单元的电阻是否高于预设基准高电阻，如果是，表示复位操作成功；否则，表示复位操作失败。

8.根据权利要求7所述的编程电阻存储单元的方法，其特征在于，所述基准低电阻值由电阻存储单元置位后的最大低阻值决定；和/或基准高电阻值由电阻存储单元复位后的最小高阻值决定。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的编程电阻存储单元的方法，其特征在于，所述第一脉冲宽度介于1ns至100ns之间。

10.根据权利要求9所述的编程电阻存储单元的方法，其特征在于，所述第一编程脉冲为：

脉冲宽度介于1ns至100ns之间单脉冲；或

脉冲宽度之和介于1ns至100ns之间的多脉冲。

11.根据权利要求1-8中任一项所述的编程电阻存储单元的方法，其特征在于，该方法应用于单极性或双极性的电阻存储单元中。

12.一种编程电阻存储单元的装置，其特征在于，该装置包括编程单元和检测单元，其中：

编程单元，用于采用第一编程脉冲对所述电阻存储单元进行编程操作；并在对所述电阻存储单元编程失败的情况下，采用第二编程脉冲对所述电阻存储单元进行编程操作，所述第二编程脉冲比所述第一编程脉冲的宽度长；

第一检测单元，与所述编程操作单元相连，用于检测采用第一编程脉冲对所述电阻存储单元进行编程操作是否成功。

13.根据权利要求12所述的编程电阻存储单元的装置，其特征在于，所述编程单元中，所述第二编程脉冲的第二脉冲宽度相对所述第一编程脉冲的第一脉冲宽度以指数规律增长。

14.根据权利要求13所述的编程电阻存储单元的装置，其特征在于：

所述第一检测单元，还用于检测采用第N-1编程脉冲对所述电阻存储单元进行编程操作是否成功；

所述编程单元在对所述电阻存储单元编程失败的情况下，采用第N编程脉冲对所述电阻存储单元进行编程操作，所述第N编程脉冲的第N脉冲宽度相对所述第N-1编程脉冲的第N-1脉冲宽度以指数规律增长。

15.根据权利要求14所述的编程电阻存储单元的装置，其特征在于，该装置还包括第二检测单元，用于在所述采用第N编程脉冲对所述电阻存储单元进行编程操作之前检测所述第N脉冲宽度是否大于预设的最大脉冲宽度；

当所述第N脉冲宽度小于预设的最大脉冲宽度，所述编程单元采用第N编程脉冲对所述电阻存储单元进行编程操作；当所述第N脉冲宽度大于预设的最大脉冲宽度，采用增加脉冲幅度的方式对所述电阻存储单元进行编程操作。

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