CN102915762A - 阻变存储单元的编程方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种阻变存储单元的编程方法。该方法包括:施加置位信号于阻变存储单元,在阻变存储单元上电极和下电极之间形成导电细丝,阻变存储单元转变为低阻态;施加复位信号于阻变存储单元,使导电细丝部分溶解,阻变存储单元由低阻态转变为高阻态;再次施加置位信号于阻变存储单元,部分溶解的导电细丝在置位信号的作用下,继续生长,直至重新连接阻变存储单元的上电极和下电极,阻变存储单元由高阻态转变为低阻态。本发明的阻变存储单元的编程方法具有下列有益效果:1、可以提高阻变存储单元电阻转变性能参数均一性;2、可以提高阻变存储单元的编程速度。
Description
技术领域
本发明涉及微电子行业阻变存储器技术领域,尤其涉及一种阻变存储单元的编程方法。
背景技术
在半导体市场中,存储器所占的份额在40%以上。由于便携式电子设备的不断普及,非易失性存储器(None Volatile Memory,简称NVM)的市场需求迅速增长。非易失性存储器的特点在于在不加电的情况下,也可以长时间的保存信息。具有功耗低、存取速度快等特点。目前,闪存(Flash)是非挥发存储器的主流产品。但是闪存器件也有一些缺点,比如操作电压过大、操作速度慢、耐久力不够好。并且随着器件不断小型化的趋势,闪存器件将会面临许多难以解决的问题。
为了解决这些问题,出现了许多新型存储器:铁电存储器(FeRAM),磁性存储器(MRAM),相变存储器(PRAM),阻变存储器(RRAM)。其中阻变存储器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。
目前,制约电阻转变存储器商业化的问题之一就是其转变性能参数分布的均一性差,这对其读写操作极为不利。在传统电压编程的测试方法下,可以通过改变器件结构或缩小器件尺寸来克服该问题。然而,如果在不改变原有器件结构和尺寸的情况下,提高阻变存储单元电阻转变性能参数分布均一性成为研究的新课题。Kim教授等人通过制备双层结构的器件来控制表面薄膜的结晶程度,限制局部的导电细丝的生长路径,从而减小了导电细丝形成和破灭的随机性,改善了阻变参数的均一性【D.C.Kim et al.,Improvement of resistive memory switching in NiO using IrO2[J],Appl.Phys.Lett.,2006(88):232106.】。
申请人意识到现有技术中存在如下问题:阻变存储单元中,导电细丝的生长路径难于控制,导致其转变性能参数分布的均一性差。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的在于提供一种阻变存储单元的编程方法,以达到提高阻变存储单元电阻转变性能参数均一性和编程速度的目的。
(二)技术方案
根据本发明的一个方面,提供了一种阻变存储单元的编程方法。该方法包括:施加置位信号于阻变存储单元,阻变存储单元上电极和下电极之间形成导电细丝,阻变存储单元转变为低阻态;施加复位信号于阻变存储单元,导电细丝部分溶解,阻变存储单元由低阻态转变为高阻态;再次施加置位信号于阻变存储单元,部分溶解的导电细丝在置位信号的作用下,继续生长,直至重新连接阻变存储单元的上电极和下电极,阻变存储单元由高阻态转变为低阻态。
优选地,本发明阻变存储单元的编程方法中,溶解导电细丝的长度占导电细丝总长度的比例介于1/4至1/2之间。
优选地,本发明阻变存储单元的编程方法中,Vpart=(2/4~3/4)Vall,其中,Vpart为使导电细丝部分溶解的复位信号电压;Vall为使导电细丝全部溶解的复位信号电压。
优选地,本发明阻变存储单元的编程方法中,Vpart取决于阻变存储单元中阻变存储材料的种类、厚度及制备阻变存储单元的工艺条件。
优选地,本发明阻变存储单元的编程方法中,Tpart=(2/4~3/4)Tall,其中,Tpart为使导电细丝部分溶解的复位信号脉冲宽度;Tall为使导电细丝全部溶解的复位信号脉冲宽度。
优选地,本发明阻变存储单元的编程方法中,阻变存储单元包括:下电极;形成于下电极上的阻变材料层;形成与阻变材料层之上的上电极;阻变材料层的成分为以下材料中的一种或多种:ZrO;HfO;TiO;AlO;CuO;NiO;ZnO;MnO;SrZrO3;Pr1-xCaxMnO3,其中0≤x≤1。上电极和下电极的成分为以下材料中的一种或多种:铂、镍、铜、金、钨、铬、钌、铱、钴。
优选地,本发明阻变存储单元的编程方法中,置位信号的电压范围为0V至10V;复位信号的电压范围为0V至10V。置位信号的脉冲宽度范围为1ns至100μs,复位信号的脉冲宽度范围为1ns至100μs。
优选地,本发明阻变存储单元的编程方法中,该方法应用于单极性或双极性阻变存储单元。
(三)有益效果
本发明的阻变存储单元的编程方法具有下列有益效果:
1、本发明编程方法通过控制复位电压使得导电细丝部分断裂,从而使得其周围电场局部增加,使得在下一个编程循环中,导电细丝更容易在该位置处形成,从而提高了阻变存储单元电阻转变性能参数均一性;
2、在上述阻变存储单元电阻转变性能参数均一性提高的基础上,对应复位信号幅度的减小,下次置位信号的脉宽也随之减小,从而提高了阻变存储单元的编程速度。
附图说明
图1为本发明实施例阻变存储单元编程方法的流程图;
图2a为进行置位操作后阻变存储单元中导电细丝的示意图;
图2b为本发明实施例进行复位操作后阻变存储单元中导电细丝的示意图;
图2c为现有技术进行复位操作后阻变存储单元中导电细丝的示意图;
图3a为进行置位操作后阻变存储单元中细丝连接后的电场分布图;
图3b为进行置位操作后阻变存储单元中细丝连接后的电场分布图;
图4为采用两种编程方法对同一电阻转变存储器分别进行编程操作得到的电阻分布;
图5a为通过外接示波器的方法测试阻变存储单元编程速度的电路图;
图5b为两次编程循环中示波器测出的信号,可以看出不同脉宽的复位信号对应下一次不同脉宽的置位信号。
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,提供了一种阻变存储单元的编程方法。图1为本发明实施例阻变存储单元编程方法的流程图。如图1所示,本实施例包括:
步骤S102:施加置位信号于阻变存储单元,在阻变存储单元上电极和下电极之间形成导电细丝,阻变存储单元转变为低阻态;
步骤S104:施加复位信号于阻变存储单元,使导电细丝部分溶解,阻变存储单元由低阻态转变为高阻态;
步骤S106:再次施加置位信号于阻变存储单元,部分溶解的导电细丝在置位信号的作用下,继续生长,直至重新连接阻变存储单元的上电极和下电极,阻变存储单元由高阻态转变为低阻态。
针对阻变存储单元而言,电学参数包括:置位电压、置位电流、复位电压、复位电流。根据电场分布情况,细丝形成和断裂处的电场相对于其他地方有着很大的区别,细丝形成位置决定着器件的置位电压,而在器件下次的编程循环中,复位电压又由前次的置位电压决定。针对阻变存储单元而言,置位电压(电流)与复位电压(电流)之间相互影响、相互作用,本质上提高这些电学参数均可通过固定导电细丝来实现。因此提高阻变存储单元电学转变性能参数分布均一性的关键就是如何固定导电细丝形成和破灭的位置。相对于传统的电压扫描的编程方式,本实施例编程方法通过控制复位电压使得导电细丝部分断裂,从而使得其周围电场局部增加,使得在下一个编程循环中,导电细丝更容易在该位置处形成,从而提高了多次操作中置位电压和复位电压的均一性。
在本发明优选的实施例中,溶解导电细丝的长度占导电细丝总长度的比例介于1/4至1/2之间。可以通过修正复位信号的幅度和脉冲宽度达到上述目的。其中,Vpart介于2/4Vall至3/4Vall之间,Vpart为使导电细丝部分溶解的复位信号电压;Vall为使导电细丝全部溶解的复位信号电压。而Vpart取决于阻变存储单元中阻变存储材料的种类、厚度及制备阻变存储单元的工艺条件。其中,Tpart=(2/4~3/4)Tall,其中,Tpart为使导电细丝部分溶解的复位信号脉冲宽度;Tall为使导电细丝全部溶解的复位信号脉冲宽度。本发明阻变存储单元的编程方法中,置位信号的电压范围为0-10V;复位信号的电压范围为0-10V。置位信号的脉冲宽度范围为1ns-100μs,复位信号的脉冲宽度范围为1ns-100μs。
以下将对本发明所涉及的阻变存储单元做详细介绍。本发明中,阻变存储单元包括:下电极;形成于下电极上的阻变材料层;形成与阻变材料层之上的上电极。其中,阻变材料层的成分为以下材料中的一种或多种:ZrO;HfO;TiO;AlO;CuO;NiO;ZnO;MnO;SrZrO3;Pr1-xCaxMnO3,其中0≤x≤1。上电极和下电极的成分为以下材料中的一种或多种:铂、镍、铜、金、钨、铬、钌、铱、钴。需要说明的是,如果针对阻变存储单元进行诸如掺杂、退火等工艺步骤,即对存储器件的材料和结构进行的调整,也应当视作本发明的适用范围之中。
下面以一个实施例来说明采用控制复位电压大小从而控制导电细丝部分断裂的方式如何对一个阻变存储单元进行编程和擦除的操作。以初始数据状态为高阻值的一个存储单元为例,
步骤A:在电压置位信号被施加到阻变存储单元后,阻变存储单元的电阻值发生从高到低的转变。
此时会有一个较大的电流流经该器件,当采用传统电压扫描信号置位操作时,需通过测试仪器或外接电阻、晶体管等来设定限制电流来保护器件不被永久击穿。置位成功后,连接器件上下电极的导电细丝形成。
图2a为进行置位操作后阻变存储单元中导电细丝的示意图。其中点代表阻变材料中的离子,在外界电激励的情形下,部分离子会发生移动,聚集在一起,从而形成导电细丝,使得上、下金属电极导通,从而对应器件处于低阻态。图3a为进行置位操作后阻变存储单元中细丝连接后的电场分布图。如图3a所示,在电场分布最强的地方(黑色竖线所示),阻变材料中生长的导电细丝将上、下金属电极完全连通。
对于置位操作,检测采用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。上述基准低电阻值由电阻转变存储单元置位后的最大低阻值决定。
步骤B:采用3/4Vall的复位电压使得导电细丝不是完全溶解而是部分溶解的方法,器件上下电极也不再导通。图2b为本发明实施例进行复位操作后阻变存储单元中导电细丝的示意图。如图2b所示,导电细丝的上半部分溶解,但下半部分导电细丝仍在。
图3b为进行置位操作后阻变存储单元中细丝连接后的电场分布图。如图3b所示,导电细丝部分溶解处的局部电场远高于其他地方。在下一次置位操作时,导电细丝部分溶解的地方就更有利于导电细丝的重新形成,器件重新回到了低阻状态。
现有技术中,通过施加一个电压复位信号即可使器件复位到高阻状态。图2c为现有技术进行复位操作后阻变存储单元中导电细丝的示意图。如图2c所示,低阻状态时形成的导电细丝完全溶解,器件上下电极不再导通,在下次置位操作中,将随机的上下电极之间形成导电细丝。
对于复位操作,检测采用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。基准高电阻值由电阻转变存储单元复位后的最小高阻值决定。
图4为采用不同的编程电压来进行复位操作时的电阻分布示意图,不同的复位电压会对器件的高阻值分布产生较大影响,从而使得电阻分布的离散性恶化,左三图分别表示在三种不同的复位测试电压下多次编程循环得到的统计结果。而当我们采用受限制的复位电压(即使连接上、下电极的导电细丝部分断裂的电压)来进行复位操作时,可以看到器件高阻态的分布得到较大改善(如右三图所示)。
采用这种编程方法还可以大大提高阻变存储单元的编程速度。图5a为通过外接示波器的方法测试阻变存储单元编程速度的电路图。通过采用图5a的方法,图5b为两次编程循环中示波器测出的信号,可以看出不同脉宽的复位信号对应下一次不同脉宽的置位信号。在图5b中,曲线1和2为一个编程循环,曲线3和4为另一个编程循环。曲线1为采取幅度为3V脉宽为1μs的置位信号对阻变存储单元进行置位。曲线2为采取幅度为-3V脉宽为1μs的复位信号对阻变存储单元进行复位。曲线3为采取幅度为3V脉宽为200ns的置位信号对阻变存储单元进行置位。曲线4为采取幅度为-1.5V脉宽为1μs的复位信号对阻变存储单元进行复位。通过对比曲线2和4,我们可以发现当复位信号的幅度减小时(从3V减小到1.5V),相应地,下次的置位操作中置位信号的脉宽也大大减小(从1μs减小到200ns),脉宽的减小对应着编程速度的提高。
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 (10)
1.一种阻变存储单元的编程方法,其特征在于,该方法包括:
施加置位信号于所述阻变存储单元,在所述阻变存储单元的上电极和下电极之间形成导电细丝,所述阻变存储单元转变为低阻态;
施加复位信号于所述阻变存储单元,使所述导电细丝部分溶解,所述阻变存储单元由低阻态转变为高阻态;
再次施加置位信号于所述阻变存储单元,所述部分溶解的导电细丝在所述置位信号的作用下,继续生长,直至重新连接阻变存储单元的上电极和下电极,所述阻变存储单元由高阻态转变为低阻态。
2.根据权利要求1所述的阻变存储单元的编程方法,其特征在于,所述溶解导电细丝的长度占导电细丝总长度的比例介于1/4至1/2之间。
3.根据权利要求2所述的阻变存储单元的编程方法,其特征在于,Vpart=(1/2~3/4)Vall,其中,所述Vpart为使所述导电细丝部分溶解的复位信号电压;所述Vall为使所述导电细丝全部溶解的复位信号电压。
4.根据权利要求2所述的阻变存储单元的编程方法,其特征在于,Tpart=(2/4~3/4)Tall,其中,所述Tpart为使所述导电细丝部分溶解的复位信号脉冲宽度;所述Tall为使所述导电细丝全部溶解的复位信号脉冲宽度。
5.根据权利要求1所述的阻变存储单元的编程方法,其特征在于,
所述阻变存储单元包括:下电极;形成于所述下电极上的阻变材料层;形成与所述阻变材料层之上的上电极。
6.根据权利要求5所述的阻变存储单元的编程方法,其特征在于,
所述阻变材料层的成分为以下材料中的一种或多种:ZrO;HfO;TiO;AlO;CuO;NiO;ZnO;MnO;SrZrO3;Pr1-xCaxMnO3,其中0≤x≤1。
7.根据权利要求5所述的阻变存储单元的编程方法,其特征在于,所述上电极和下电极的成分为以下材料中的一种或多种:铂、镍、铜、金、钨、铬、钌、铱、钴。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的阻变存储单元的编程方法,其特征在于,所述置位信号的电压范围为0V至10V;所述复位信号的电压范围为0V至10V。
9.根据权利要求8所述的阻变存储单元的编程方法,其特征在于,所述置位信号的脉冲宽度范围为1ns至100μs,所述复位信号的脉冲宽度范围为1ns至100μs。
10.根据权利要求1至7中任一项所述的阻变存储单元的编程方法,其特征在于,该方法应用于单极性或双极性阻变存储单元。
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