CN108615539B - 用于编程可编程电阻性存储元件的方法与设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用以编程可编程电阻存储单元的方法，包括：执行一个或多个叠代直到验证通过。此些叠代包括：a)施加一编程脉冲至存储单元；以及b)在施加编程脉冲后，验证存储单元的电阻是否在一目标电阻范围中。在验证通过的该一个或多个叠代的一叠代后，c)施加一稳定化脉冲至存储单元，此稳定化脉冲具有与施加至存储单元的编程脉冲相同的极性。在施加稳定化脉冲后，第二次验证决定可编程元件的电阻是否在目标电阻范围中。包含步骤a)、b)、c)、及d)的叠代系被执行直到第二次验证通过。方法及设备系被描述以编程多个此种存储单元，包含在编程后施加相同极性的稳定化脉冲。

Description

用于编程可编程电阻性存储元件的方法与设备
技术领域
本发明是有关于一种改进存储单元数据状态保存的方法，存储单元包含含有可编程电阻的可编程元件。
背景技术
可编程电阻非易失性存储器使用存储材料例如是金属氧化物材料，透过适于在集成电路中实现的多个位阶的电性脉冲的施加，这种材料的电阻值会在两个或多个稳定电阻范围之间变化。此两个或多个电阻范围对应至数据状态。存取线例如是耦接至存储单元的位线及字线系连接至电路以执行编程操作，例如设定(SET)及复位(RESET)操作，这使得可编程元件切换在较低及较高的电阻范围之间。
如图1所示，一种用来编程此存储单元的已知方法为透过增量步进脉冲编程(incremental step pulse programming,ISPP)。为了执行复位(RESET)操作，举例来说，一编程脉冲(RESET1)系被施加，接着一验证步骤用来决定可编程元件的电阻是否在目标电阻范围中。若不在目标电阻范围中，具有较高振幅的第二编程脉冲(RESET2)系被施加，接着另一验证步骤，等等。脉冲宽度可被增加而不是振幅，或者脉冲宽度与振幅均增加。这些脉冲及验证的叠代，可被称作编程及编程验证周期，持续进行直到验证步骤确认此可编程元件的电阻落在目标电阻范围中。
然而，被发现的是阵列中的部分存储单元在编程及验证后无法维持在设定(SET)或复位(RESET)的电阻范围中，并且有时，这可能是相对短的时间，在验证步骤后可编程材料可经历一变化使得存储单元具有目标范围外的电阻。图2绘示机率的示意图，基于复位(RESET)(高电阻范围)中所有存储单元已被验证而具有验证位阶上面的电阻后一小段时间的分布，如垂直点线所示。此示意图显示在复位(RESET)操作后，复位(RESET)范围中一些存储单元的电阻可能改变的有限机率，落在验证位阶下面，如箭号所示。
若能提供一种方法设备置以改进可编程电阻存储单元中的可编程数据的保存，将是有帮助的。
发明内容
提出一种编程可编程电阻存储单元的方法。此方法包含执行一个或多个叠代，直到验证通过。此些叠代包含a)施加编程脉冲至存储单元；以及b)在施加编程脉冲后，验证存储单元的电阻是否在一目标电阻范围中。在验证通过的该一个或多个叠代的一叠代后，c)施加一稳定化脉冲至存储单元，此稳定化脉冲具有与施加至存储单元的编程脉冲相同的极性。对于步骤a)及b)，至少一叠代包含改变编程脉冲的振幅，且稳定化脉冲的振幅为验证通过的叠代中的稳定化脉冲的振幅的函数。相仿地，对于步骤a)及b)，至少一叠代包含改变编程脉冲的脉冲宽度，且稳定化脉冲的脉冲宽度为验证通过的叠代中的稳定化脉冲的脉冲宽度的函数。
在实施例中，在施加稳定化脉冲后，d)第二次验证步骤决定可编程元件的电阻是否在目标电阻范围。若第二次验证未通过，包含步骤a)、b)、c)、及d)的叠代系被执行直到第二次验证通过。一个或多个额外的稳定化脉冲在此稳定化脉冲后可被施加。编程方法可改变存储单元的电阻从较低电阻范围至较高电阻范围，或从较高电阻范围至较低电阻范围。
存储单元的可编程元件可包含具有可编程电阻的金属氧化物。
此处描述一种方法，用以执行可编程操作在存储阵列中的多个存储单元，其中数据图案识别待被编程的存储单元，存储单元的各者包含对应的可编程元件。此方法包含a)施加编程脉冲至数据图案中所识别的存储单元，编程脉冲具有第一极性、振幅及脉冲宽度；以及b)第一次验证数据图案中所识别的存储单元的电阻是否在一目标电阻范围中；c)在验证通过的该一个或多个叠代的一叠代后，施加一稳定化脉冲至通过第一次验证的存储单元；以及执行包含步骤a)、b)、c)的叠代至未通过第一次验证的存储单元直到所有被识别的存储单元通过第一次验证。
在此处所述实施例，此方法更包含d)在施加稳定化脉冲后，第二次验证通过第一次验证的存储单元的电阻是否在稳定化目标电阻范围中(此范围可相同或不同于第一次验证的电阻范围)，此些叠代包含步骤d)，并进一步执行包含步骤a)至d)的此些叠代，直到所有被识别的存储单元通过第一次及第二次验证。此方法可进一步包含改变此些叠代中至少一叠代的编程脉冲的振幅及脉冲宽度的一者或两者。在实施例中，至少一特定叠代的稳定化脉冲的振幅为至少一特定叠代的编程脉冲的振幅的函数，或至少一特定叠代的稳定化脉冲的脉冲宽度为至少一特定叠代的编程脉冲的脉冲宽度的函数。在此处所述一些范例中，多个存储单元的可编程元件包含具有可编程电阻的金属氧化物。
在此处所述实施例中，存储器包含多个存储单元，多个存储单元中的各存储单元包含可编程元件，以及逻辑，用以执行编程操作，其中数据图案识别待被编程的存储单元。此处描述的编程操作包含a)施加编程脉冲至数据图案中所识别的存储单元，编程脉冲具有第一极性、振幅及脉冲宽度；以及b)第一次验证数据图案中所识别的存储单元的电阻是否在一目标电阻范围中；c)施加一稳定化脉冲至通过第一次验证的存储单元；以及执行包含步骤a)、b)、c)的叠代至未通过第一次验证的存储单元直到所有被识别的存储单元通过第一次验证。编程操作更包含d)在施加稳定化脉冲后，第二次验证通过第一次验证的存储单元的电阻是否在稳定化目标电阻范围中，并进一步执行包含步骤a)至d)的叠代直到所有被识别的存储单元通过第一次及第二次验证。
在实施例中，编程操作进一步包含改变至少一叠代中的编程脉冲的振幅及脉冲宽度的一者或两者。
在一些例子中，在编程操作中，至少一特定叠代的稳定化脉冲的振幅为至少一特定叠代的编程脉冲的振幅的函数。在一些例子中，至少一特定叠代的稳定化脉冲的脉冲宽度为至少一特定叠代的编程脉冲的脉冲宽度的函数。多个存储单元的可编程元件包含具有可编程电阻的金属氧化物。
为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：
附图说明
图1绘示用于编程具有可编程电阻的可编程元件的存储单元的传统ISPP编程方法的示意图。
图2绘示设定(SET)及复位(RESET)范围中的存储单元的分布，其中复位(RESET)范围中的存储单元在编程及验证后产生电阻变化。
图3a、图3b、及图3c绘示在设定(SET)及复位(RESET)状态中的金属氧化物中导电丝的形成与破裂，且丝的部分再生成(partial reformation)是由于离子扩散。
图4显示编程存储单元的方法及在验证后施加稳定脉冲以改善保存的流程图。
图5绘示依照一实施例的集成电路阵列的方块图。
图6绘示编程似图5所示的存储阵列的复数存储单元的方法的流程图，包含在验证后施加稳定脉冲以改善保存。
图7绘示于包含在验证后施加稳定脉冲的范例编程操作期间，图5中的页缓冲器及验证缓冲器的内容。
图8绘示依照一实施例的范例存储单元的示意图。
图9a及图9b绘示依照一实施例在设定(SET)及复位(RESET)分布显示出通过施加稳定化脉冲而产生的多个分布之间的改善窗口。
图10a及图10b分别绘示使用ISPP编程烘烤(baking)之前及之后的设定(SET)及复位(RESET)分布，且在验证后施加稳定化脉冲进行编程。
【符号说明】
12：金属氧化物层
14：顶电极
16：底电极
18：氧离子
20～30、32～44：流程步骤
100：集成电路
102：阵列存储单元
114：字线译码器
116：字线
118：位线(行)译码器
120：位线
122：总线
126：数据输入线
127：感测放大器
128：方块
129：输入/输出缓冲器
130：其他电路
132：数据输出线
134：验证缓冲器
136：控制器
137：偏压配置供应电压及电流源
200：存储单元
202：晶体管
204：第一电流携带端
206：第二电流携带端
208：可编程元件
210、212：存取线
214、WL：字线
BL：位线
RESET1、RESET2、RESET3、RESET4、RESET5：编程脉冲
SL：源极线
具体实施方式
可编程电阻存储单元可具有编程在两个或多个电阻范围之中任一范围内的电阻，各范围系对应至一数据状态。为了简化，本应用会描述具有两电阻范围的可编程元件，然应可知能有更多电阻范围。
为了区别存储单元的数据状态，电阻窗口必须维持在低电阻(或设定(SET)范围)与高电阻(或复位(RESET)范围)之间，此区间提供存储器的感测边界(sensing margin)。当存储单元的可编程元件的电阻从设定(SET)或复位(RESET)范围改变至中间状态时，电阻窗口的宽度会减小，存储单元的数据状态会更加难以辨别。
在许多存储阵列中，存储单元包含具有可编程电阻的可编程元件，可编程元件包含金属氧化物例如氧化钨(WOx)、氧化铪(HfOx)、氧化钛(TiOx)、氧化钽(TaOx)、氮化钛氧化物(TiNO)、氧化镍(NiOx)、氧化镱(YbOx)、氧化铝(AlOx)、铌氧化物(NbOx)、氧化锌(ZnOx)、氧化铜(CuOx)、氧化钒(VOx)、氧化钼(MoOx)、氧化钌(RuOx)、氧化铜硅(CuSiOx)、氧化银锆(AgZrO)、铝镍氧化物(AlNiO)、铝钛氧化物(AlTiO)、氧化钆(GdOx)、氧化镓(GaOx)、氧化锆(ZrOx)、铬掺杂的SrZrO3、铬掺杂的SrTiO3、PCMO或LaCaMnO等。在一些例子中，存储单元的可编程元件可为半导体氧化物，例如是硅氧化物(SiOx)。
图3a、图3b、及图3c各绘示一存储单元，包含金属氧化物层12所提供的可编程元件，此元件设置在顶电极14及底电极16之间。在一些型式的材料中，设定(SET)与复位(RESET)范围之间的切换机制被认为是仰赖透过金属氧化层12的导电丝(conductivefilament)的形成与破裂。此导电丝系形成在图3a的设定(SET)范围中，导电丝在一些可编程电阻材料中被认为是由氧空缺(oxygen vacancies)所形成的。被相信的是，复位(RESET)脉冲倾向驱动氧离子朝向丝，使氧离子与氧空缺重新组合，导致导电丝断裂而将存储单元切换成高电阻的复位(RESET)范围，如图3b。设定(SET)脉冲倾向驱动氧化子离开丝，生成离子空缺并重新生成丝，而切换存储单元为低电阻的设定(SET)范围。
被发现的是，一些比例的编程存储单元(于此论述中编程将会用于描述移动可编程元件从较高至较低电阻或从较低至较高电阻，亦即设定(SET)或复位(RESET))在编程及验证后，系自动地改变至用于感测边界的窗口中的电阻，这通常发生在编程操作的验证步骤后几秒内。此改变可导致感测错误。为了避免此种改变所造成的感测错误，此装置必须设计能以更窄的感测边界进行工作，然这样的设计是昂贵的或不实际的。
被相信的是，在一些记忆材料中，此改变是由于离子扩散。举例来说，如图3c所示，在复位(RESET)操作后，丝已被破裂，在几秒后，氧离子18可扩散远离丝区间，留下氧空缺并至少部分地重新生成导电丝。相反地，在设定(SET)操作后，氧空缺的导电丝被形成，氧离子可扩散朝向丝区间，与氧空缺重新组合，并至少部分断裂此丝。
在此处所述实施例中，在可编程元件具有目标电阻范围的电阻的验证后，稳定化脉冲的施加已被显示能改善稳定性，并降低编程后可能导致感测错误的电阻的自动变化。此稳定化脉冲，具有与编程脉冲相同的极性，并用于阻断或限制离子扩散。
图4绘示依据一些实施例用于编程单一存储单元的步骤的流程图。在步骤20，编程脉冲系被施加至存储单元的可编程元件。编程脉冲可为设定(SET)脉冲或复位(RESET)脉冲，且具有第一极性、振幅、及脉冲宽度。在一些实施例中，编程脉冲可由多个脉冲所组成。
在编程脉冲施加后，第一次验证步骤22读取此存储单元以决定可编程存储单元的电阻是否在目标电阻范围中。目标电阻范围可具有两端点，亦即高点及低点；或者，目标电阻范围可为目标值之上的任一电阻，此电阻在实作中限制为存储单元可达到的最大电阻(举例来说，在复位(RESET)操作的情况下)；或者，目标电阻范围可为目标值之下的任一电阻，此电阻在实作中限制为存储单元可达到的最小电阻(举例来说，在设定(SET)操作的情况下)。
若可编程元件的电阻不在目标电阻范围中(第一次验证步骤22中否的分支)，编程脉冲系有条件地改变(步骤28)。如同在传统ISPP序列中，编程脉冲的振幅可被增量。替代地，脉冲宽度可被增量，或编程脉冲振幅或脉冲宽度两者可被增量，或两者均不增量。振幅及脉冲宽度的一者或两者可在每次编程脉冲之间或在一些其它间隔中被增量，或者可被减量，或者不改变。更新编程脉冲可包含此些变化的任一者或全部，或不作改变。编程脉冲的极性维持相同。
编程脉冲的选择性改变之后，在步骤20，更新后的编程脉冲系施加至存储单元，存储单元的电阻再次于步骤22作验证。
在步骤20第一次或随后的编程脉冲的施加，若存储单元被认为具有的电阻位于第一次验证步骤22的目标电阻范围中(是的分支)，接着在步骤24，稳定化脉冲系施加至存储单元。稳定化脉冲具有与编程脉冲相同的极性。在实施例中，稳定化脉冲的振幅为当第一次验证步骤22通过时的编程脉冲的振幅的函数。相仿地，在实施例中，稳定化脉冲的脉冲宽度为当第一次验证步骤22通过时的编程脉冲的脉冲宽度的函数。有关稳定化脉冲更多细节与范例将提供于后。
在步骤24的稳定化脉冲的施加之后，在一些实施例中，第二次验证步骤26读取存储单元以决定存储单元的电阻是否在稳定化目标电阻范围中。若不在稳定化目标电阻范围中(第二次验证步骤26中否的分布)，编程脉冲可在步骤28进行更新，且更新后的编程脉冲再次被施加等。
在第二次验证步骤26，若存储单元的电阻被认为是位于稳定化目标电阻范围中，亦即若第二次验证26通过(第二次验证步骤26中是的分支)，存储单元的编程系完成(步骤30)。
总之，存储单元可通过执行包含多个步骤的叠代而被编程，步骤为：a)施加具有第一极性、一振幅、及一脉冲宽度的编程脉冲至存储单元；b)在施加编程脉冲后，验证存储单元的电阻是否在目标电阻范围中。此方法包含执行包含步骤a)及b)的一个或多个叠代，直到验证通过；及d)在验证通过的叠代后，施加稳定化脉冲至存储单元。
如图4所示，选择性地，若步骤22中验证失败，在一个或多个叠代中，编程脉冲的形状可通过更新编程脉冲的振幅及脉冲宽度的一者或两者而被改变。
再者，在一些实施例中，在施加稳定化脉冲后，第二次验证可编程元件的电阻是否在稳定化目标电阻范围中；并且，执行包含步骤为a)、b)、c)、d)、及e)的叠代，直到第二次验证通过，其中前述第一次叠代(20,22,28)嵌套(nested)于前述第二次叠代(20,22,24,26,28)之中。
图5绘示集成电路100的简化方块图，集成电路100包含阵列存储单元102及控制器136，控制器136被配置以施加如此处所述的稳定化脉冲。存储单元包含可编程元件，可编程元件包含金属氧化物。字线译码器114(包含字线驱动器)系耦接至并电性通讯至多条字线116。位线(行)译码器118系电性通讯至多条位线120，以从阵列102中的存储单元读取或写入数据。地址系供应在总线122上以送至字线译码器114与位线译码器118。感测放大器127及输入/输出缓冲器129一并组成方块128而耦接至位线译码器118。位线译码器118耦接被选位线120经由阵列102至方块128。在一些实施例中，输入/输出缓冲器129可为页缓冲器，能支持页读取或页写入操作。偏压配置供应电压及电流源137系被包含以产生或提供偏压电压及电流至阵列102以供应写入操作的操作，包含需要稳定化脉冲的操作。
验证缓冲器134于此例中为缓存器或其他用于储存辅助数据的数据储存器，以供应编程操作中稳定化脉冲的应用，将解释如后。在一些实施例中，在编程操作期间用于储存数据的缓存器可被放置在装置的其他地方，或者输入/输出缓冲器129可因此用途而被使用。数据系经由数据输入线126从集成电路100的上的输入/输出端或从其他数据源被供应。
其他电路130可被包含在集成电路100，例如是一般用途处理器或特定用途应用电路，或者是存储阵列102功能支持的提供系统芯片(system-on-a-chip)的的模块的组合。数据系经由数据输出线132而从方块128被供应至集成电路100的输入/输出端，或供应至集成电路100内部或外部的其他数据目的地。
于此范例实施的控制器136使用偏压配置状态机，控制偏压配置供应电压及电流源137，例如是读取电压、编程电压例如设定(SET)及复位(RESET)、编程验证电压，例如用于设定(SET)及复位(RESET)、及稳定化脉冲电压。控制器136可使用技艺中所知悉的特定用途逻辑电路而被实施。在替代实施例中，控制器136包含一般用途处理器，可被实施在相同的集成电路上，以执行计算机程序从而控制装置的操作。在另些实施例中，特定用途逻辑电路及一般用途处理器的组合可被使用以实现控制器136。
图6绘示依据一实施例的逻辑的流程图，逻辑由控制器及图5的存储装置的其他元件所执行以编程存储阵列(例如图5的存储阵列102)中的多个存储单元。如在图7所示的数据组的例子中，此数据组是依据图6的流程图而被处理。此处说明将参照图5的集成电路100的元件。在此例中，方块128中的输入缓冲器129系配置以储存待被编程的数据图案。在编程操作的起始，待被编程的多个存储单元中的各存储单元系由输入缓冲器129所储存的数据图案中的一对应位所识别。图7中，三个周期系被绘示，各周期包含三对缓存器数值。各对最上面的数值为该步骤中输入缓冲器129的内容。各对最下面的数值为该步骤中验证缓冲器134的内容。各对旁的参考数字识别图6中对应的逻辑方块。因此，周期1中第一对最上面的缓存器储存从步骤30至32的数据图案。周期1中第一对最下面的缓存器为空白。
在图6的步骤30，待被写入的数据图案系加载至输入缓冲器129，在步骤32，编程脉冲系施加至输入缓冲器129中所识别的存储单元。编程脉冲具有第一极性，或相反地被配置以导致所识别的存储单元的电阻的增加或减少其中一被选者。编程脉冲的振幅及形状是所被执行的编程操作的该周期的函数。在典型ISPP操作中，编程脉冲的振幅随着每个周期而增加。
在步骤34，第一次验证步骤系被执行以验证输入缓冲器129中所识别的存储单元的可编程元件的电阻是否在目标电阻范围。这些通过步骤34第一次验证的存储单元系被识别或标记，例如是将这些存储单元的对应字节设定在验证缓冲器134中。因此，在周期1的第二对，数据图案系被更新为已通过的两个位，并复位为0(复位位于此图中标示底线)，而相同的两位系标记在验证缓冲器134。此逻辑导致识别出在验证缓冲器134中一些存储单元将接收稳定化脉冲(通过的此个两存储单元)；以及识别出在输入缓冲器129中一些存储单元需要在下一周期接收额外的编程脉冲(未通过第一周期的输入位)。
在步骤36，稳定化脉冲系施加至被标记存储单元的可编程元件，亦即通过第一次验证步骤34的存储单元。在此例中，在周期1中第二缓存器对的验证缓冲器134中，被标记具有数据数值“1”的两个存储单元接收稳定化脉冲。
稳定化脉冲具有相同于步骤32中所施加的编程脉冲的极性。在实施例中，稳定化脉冲的振幅为步骤32所施加的编程脉冲的振幅的函数。相仿地，在实施例中，稳定化脉冲的脉冲宽度为步骤32所施加的编程脉冲的脉冲宽度的函数。
在步骤36施加稳定化脉冲后，在一些实施例中，第二次验证步骤38决定在步骤36接收稳定化脉冲的此些存储单元的可编程元件的电阻是否在稳定化目标电阻范围中。稳定化目标电阻范围可相同或不同于第一次验证34的目标电阻范围。电阻范围可使用与第一次验证步骤34相同的验证电压而被建立，或使用不同的验证电压。若存储单元通过第二次验证步骤，此存储单元的位于验证数据缓冲器134中被清除。若未通过，对应的位不会被清除，并维持设定。
在图7所示的范例中，在周期1中第三对缓存器数值，步骤36的稳定化脉冲前被标记的两个存储单元的其中一者通过第二次验证步骤38，而另一者失败。此逻辑导致通过输入缓冲器129中对应位而识别出未通过第一次验证(34)的一些存储单元，通过验证缓冲器134中对应位而识别出未通过第二次验证(38)的一些存储单元。
在步骤40，输入缓冲器129系被更新以识别在目前叠代中未通过第一次或第二次验证的存储单元。在图7中，周期2中第一对的最上面缓存器数值，为针对第一个周期中第三对的其内容与第一个周期的第三对中验证缓冲器134的内容，进行逻辑OR。再者，验证缓冲器134系被清除。此逻辑导致通过输入缓冲器129中对应位识别出未通过第一次验证(34)或第二次验证(38)的存储单元，并清除验证缓冲器134，因此已准备用于编程操作的下一个周期。此状态系绘示在图7的周期2中第一对的缓存器数值。
在步骤42，若输入缓冲器129并未清除，编程脉冲的振幅及/或脉冲宽度系在步骤44基于周期数而被更新，而下个编程脉冲系在步骤32被施加。此方法持续进行直到步骤42，没有待被写入的存储单元系被识别在输入缓冲器129中(是的分支)。图7中所示的例，第二周期导致三个存储单元在步骤34通过验证，且相同的三个存储单元被标记用于稳定化脉冲，如周期2中第二对的第二缓存器数值所示。在步骤36中的稳定化脉冲及步骤38的第二次验证后，所有三个存储单元再次通过，导致所周期2中第三对的第二缓存器中全部为零值。然而，输入缓冲器129中保留一个位，且此输入缓冲器129系被更新为两个缓存器的逻辑OR。因此，在下一周期，输入缓冲器129识别待被编程的单一位。如周期3中第二对的数值所示，该单一位通过验证且系被标记用于稳定化脉冲。如周期3中第三对的数值所示，此位通过第二次验证。于此阶段，如图7周期3中第三对所示，输入缓冲器129及验证缓冲器134储存全零值。因此，数据图案编程操作系在ISPP编程操作的各步骤后，以施加稳定化脉冲至合适的存储单元而完成。
在替代性方法中，ISPP方法可持续进行直到所有脉冲通过编程阶段。接着一个稳定化脉冲或多个稳定化脉冲可在之后被施加。当在ISPP方法后施加稳定化脉冲表示所有存储单元已被编程时，稳定化脉冲的振幅及/或形状可以不是各存储单元在通过编程验证时的编程脉冲的振幅及/或形状的函数，而是常数，或者可以是最后施加的编程脉冲的函数。
逻辑及缓冲机制系被说明为写入数据图案至阵列中的多个存储单元，此作法为一个例子。其他逻辑及缓冲配置可被使用。因此此处所述存储器可包含逻辑以执行编程操作，包含：
a)施加编程脉冲至缓冲器中所识别的存储单元，该编程脉冲具有第一极性、振幅、及脉冲宽度；
b)第一次验证缓冲器中所识别的存储单元的电阻是否在目标电阻范围；
c)施加稳定化脉冲至通过第一次验证的存储单元；及
针对未通过第一次验证的存储单元，执行包含步骤a)、b)、及c)的叠代，直到所有被识别的存储单元通过第一次验证。
在此实施例中，步骤30、32、34、及44系叠代地执行，直到所有被识别的存储单元通过验证。
再者，如图6实施例所示，编程操作可进一步包含：
d)在施加稳定化脉冲后，第二次验证通过第一次验证的存储单元的电阻是否在稳定化目标电阻范围中，且此些叠代包含步骤d)，并进一步执行所述包含a)至d)的叠代，直到所有被识别的存储单元通过第一次及第二次验证。
在此实施例中，此操作包含：执行包含步骤30、32、34、36、38、40、及44的叠代，直到所有被识别的存储单元通过验证。
图8绘示依照一实施例的存储单元200的示意图。此存储单元200包含存取装置之晶体管202，具有第一电流携带端204(例如漏极)及一第二电流携带端206(例如源极)。存储单元包含：可编程元件208；一电极，连接至第一存取线210例如是位线BL；一电极，连接至存取装置的第一电流携带端。第二存取线212例如是源极线SL系连接至存取装置的第二电流携带端206。在存取装置为晶体管202的实施例中，存储装置进一步包含第三存取线214，例如是字线WL，连接至晶体管202的栅极。
存取线210及212以及晶体管202可被用于施加编程(设定(SET)或复位(RESET))脉冲及稳定化脉冲至可编程元件208。举例来说，为了施加具有第一极性的编程或稳定化脉冲，足够的电压可被经由字线214施加至晶体管202的栅极，以开启晶体管通道，而正电压系施加至第一存取线210，第二存取线212系接至地。电流流经可编程元件208及流经晶体管202的端点204至端点206的通道，导致第一极性之编程或稳定化脉冲。
为了产生相反极性的编程或稳定化脉冲，足以开启晶体管通道的一电压系经由字线214被施加至晶体管202的栅极，正电压系施加至第二存取线212，第一存取线210系接至地。电流流经晶体管202的通道，从晶体管202的端点206至端点204，并流经可编程元件208，导致与第一极性相反的第二极性的编程及稳定化脉冲。其他配置例如使用不同形式的存取装置可由具有通常知识者所思及。
在范例性存储阵列中，各存储单元包含含有WOx的可编程元件、及晶体管作为存取装置。在此例中，设定(SET)范围中包含可编程元件存储单元的目标电阻范围系小于19千欧姆(KOhm)，而复位(RESET)范围中包含可编程元件存储单元的目标电阻范围系大于66千欧姆。
为了施加第一编程脉冲以放置此一存储单元于设定(SET)范围中，4.0V的电压系经由字线施加至晶体管的栅极。4.0V的电压系大于阈值电压，故允许电流流通在晶体管的通道中。2.5V的源极线电压系施加至晶体管的一端例如是源极，而漏极系接至地；源极电压系高于漏极电压。脉冲宽度系500纳秒(nsec)。
设定(SET)验证步骤系被执行。若在施加第一编程脉冲后，含有可编程元件的存储单元的电阻被发现是不在目标电阻范围中(小于19千欧姆)，在此例中施加至源极的电压的振幅系增加0.1V，成为2.6V。栅极电压维持在4.0V，晶体管的漏极系接至地。脉冲宽度不改变。在施加下一编程脉冲后，设定(SET)验证再次被执行。若存储单元再次验证失败，源极电压的振幅再次增加0.1V。于此例中，脉冲宽度不改变。
为了施加第一编程脉冲以放置此一存储单元于复位(RESET)范围中，2.5V的电压系经由字线施加至晶体管的栅极。2.5V的电压系大于阈值电压，故允许电流流通在晶体管的通道中。2.0V的位线电压系施加至晶体管的一端例如是漏极，而源极系接至地。注意漏极电压系大于源极电压，故复位(RESET)操作的电流流动系相反于设定(SET)操作的电流流动，而编程脉冲具有相反极性。脉冲宽度例如是1000纳秒。
复位(RESET)验证步骤系被执行。若在施加第一编程脉冲后，可编程元件的电阻被发现是不在目标电阻范围中(大于66千欧姆)，在此例中施加至漏极的电压的振幅系增加0.1V，成为2.1V。栅极电压维持在2.5V，晶体管的源极系接至地。脉冲宽度不改变。在施加下一编程脉冲后，验证再次被执行。若存储单元再次复位(RESET)验证失败，源极电压的振幅再次增加0.1V。于此例中，脉冲宽度不改变。
在范例性存储单元中，稳定化脉冲的状态系相同于通过验证的编程脉冲的状态；亦即，稳定化脉冲具有的振幅及脉冲宽度，系相同于通过第一次验证的编程脉冲。
提供一范例以求完整与明确。在其他实施例中，许多方面可被改变：其他材料可被用作可编程元件。晶体管以外的不同型式的存取装置、或装置的组合可被使用。不同的电压可被施加，并使用不同的配置。编程脉冲的振幅可以或可以不增加或减少，并且，若增加或减少，可以或可以不以均匀的量增加或减少，或可以或可以不在每次叠代时增加或减少。相仿地，编程脉冲的脉冲宽度可以或可以不增加或减少，并且，若增加或减少，可以或可以不以均匀的量增加或减少，或可以或可以不在每次叠代时增加或减少。
如所述，在每次发现可编程元件的电阻位于目标电阻范围中而存储单元通过验证步骤时，稳定化脉冲系被施加。在本技艺的实施例中，稳定化脉冲的振幅为当存储单元通过第一次验证时(亦即编程脉冲的验证)编程脉冲的振幅的函数。相仿地，在实施例中，稳定化脉冲的脉冲宽度为当存储单元通过第一次验证时编程脉冲的脉冲宽度的函数。稳定化脉冲的极性相同于编程脉冲的极性。
在一些实施例中，若在仅一个编程脉冲的施加后，存储单元的可编程元件的电阻位于目标电阻范围中(例如，若存储单元通过在第一次图4步骤22的第一次验证)，稳定化脉冲的振幅可以相同于或大于所施加的编程脉冲的振幅的例如百分之100-110。相仿地，若在仅一个编程脉冲的施加后，存储单元的可编程元件的电阻位于目标电阻范围中，稳定化脉冲的脉冲宽度可以相同于或大于所施加的编程脉冲的脉冲宽度的例如百分之100-110。
在此些实施例中，在第一次验证步骤22，若在仅一个编程脉冲的施加后，存储单元的可编程元件的电阻不位目标电阻范围中(步骤20)，并仅在步骤20中第二个或较大编程脉冲被施加后达到目标电阻范围，稳定化脉冲的振幅可以是当此存储单元在步骤22通过第一次验证时的编程脉冲的百分比。举例来说，稳定化脉冲的振幅可以为当此存储单元通过时的编程脉冲的振幅的百分之80-120、或90-110，亦即在存储单元通过第一次验证步骤22前最终编程脉冲的振幅。相仿地，稳定化脉冲的脉冲宽度可以为当此存储单元通过时的编程脉冲之脉冲宽度的例如百分之80-120、或90-110，亦即在存储单元通过第一次验证步骤22前最终编程脉冲的脉冲宽度。
在任一例子中，稳定化脉冲具有与其所跟随的编程脉冲具有相同的极性，并用以改变存储单元的电阻朝往如同编程脉冲的相同方向(亦即，通过减少可编程元件中的氧空缺的浓度，两者具有倾向增加电阻的极性，或者，通过增加可编程元件中的氧空缺的浓度，两者具有向减少电阻的极性)。
在其他实施例中，当待被编程的存储单元通过第一次验证步骤22时，稳定化脉冲及最新施加的编程脉冲的振幅及/或脉冲宽度的其他关系也可被应用。
此处所述的方法的使用已被发现能减少在设定(SET)或复位(RESET)操作后存储元件的电阻的自动改变，这种改变通常在编程后几秒内会发生。
图9a绘示基于使用传统ISPP方法编程且在验证后不施加稳定化脉冲的存储单元的分布常态机率图，图9b绘示依据此处所述的方法与设备，基于在验证后施加稳定化脉冲的存储单元的分布常态机率图。各存储单元包含含有WOx的可编程元件、及作为存取装置的晶体管。在此例中，编程存储单元系限定在复位(RESET)操作。
在图9a中，设定(SET)及复位(RESET)分布之间的感测边界窗口宽度为21千欧姆，而图9b中，设定(SET)及复位(RESET)分布之间的感测边界窗口宽度为47千欧姆。能有效增加设定(SET)及复位(RESET)分布之间的感测边界窗口。
已被发现的是，在复位(RESET)操作后施加稳定化脉冲能改善高电阻范围的保存。烘烤编程存储单元模拟使用状况。包含含有金属氧化物的可编程元件的多个ReRAM存储单元系通过传统ISPP方式进行编程，不施加稳定化脉冲。图10a绘示在以210度烘烤150分钟之前(A)及之后(B)，基于多个存储单元的设定(SET)及复位(RESET)分布的机率图。图10b绘示在以相同状况烘烤之前(A)及之后(B)，基于多个相仿的RRAM存储单元的设定(SET)及复位(RESET)分布的机率图，其中此处所述稳定化脉冲已被施加在设定(SET)及复位(RESET)操作中。可被看到的是，设定(SET)及复位(RESET)分布之间的改善窗口维持，并因烘烤而进一步改善。各存储单元包含含有WOx的可编程元件、及作为存取装置的晶体管。
在一些实施例中，当存储单元通过例如图4中第一次验证步骤22或图6中第一次验证步骤34时所施加的稳定化脉冲，可包含多个脉冲，均具有相同极性。虽然脉冲的任何组合可被用于稳定化脉冲，在实施例中可达至五个脉冲，此些脉冲均匀地间隔，但其他间隔也可被使用。在一些实施例中，组成稳定化脉冲的所有脉冲具有相同的振幅及脉冲宽度，然其他实施例中振幅及脉冲宽度可以是不同的。组成稳定化脉冲的多脉冲的各者的振幅及脉冲宽度可如先前单一稳定化脉冲所述：在仅一个编程脉冲后若存储单元的可编程元件达到目标电阻范围，编程脉冲的振幅及/或脉冲宽度的百分之100-110；在对存储单元进行编程的特定尝试中的第二次或之后的编程脉冲之后，若存储单元的可编程元件的电阻达到目标电阻范围时，当存储单元通过图4中第一次验证步骤22时的编程脉冲的振幅及/或脉冲宽度的百分之80-120、或90-110。
在上述实施例，稳定化脉冲系在验证后被施加。在其他实施例中，具有与编程脉冲相同极性的稳定化脉冲可在编程脉冲后被施加，在稳定化脉冲后并无验证。
综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视随附的权利要求范围所界定的为准。

Claims (10)

1.一种用以编程可编程电阻存储单元的方法，该方法包括：
执行一个或多个叠代，这些叠代包括：
a)施加一编程脉冲至该存储单元；
b)在施加该编程脉冲后，第一次验证该存储单元的电阻是否在一目标电阻范围中；
在该验证通过的该一个或多个叠代的一叠代后，c)施加一稳定化脉冲至该存储单元，该稳定化脉冲具有与该编程脉冲相同的极性；以及
d)在施加该稳定化脉冲后，第二次验证该存储单元的电阻是否在一稳定化目标电阻范围中，其中该稳定化目标电阻范围不同于该第一次验证的该目标电阻范围；
当未通过该第二次验证时，执行包含步骤a)、b)、c)、及d)的叠代直至该第二次验证通过；
其中，该第一次验证是被执行以验证一输入缓冲器中所识别的该存储单元的电阻是否在该目标电阻范围，通过该第一次验证的存储单元被识别或标记；
通过该输入缓冲器中对应位而识别出未通过该第一次验证的存储单元，通过一验证缓冲器中对应位而识别出未通过该第二次验证的存储单元；
该输入缓冲器是被更新以识别在目前叠代中未通过该第一次验证或该第二次验证的存储单元。
2.根据权利要求1所述的方法，其中针对步骤a)及b)的叠代，至少一叠代包含改变编程脉冲的振幅，且其中该稳定化脉冲的振幅是验证通过的一叠代中的该编程脉冲的振幅的函数，或至少一叠代包含改变编程脉冲的脉冲宽度，且其中该稳定化脉冲的脉冲宽度是验证通过的一叠代中的该编程脉冲的脉冲宽度的函数。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，一个或多个额外的稳定化脉冲系在该稳定化脉冲后被施加。
4.根据权利要求1所述的方法，其中编程该存储单元的方法为改变该存储单元的电阻值从一低电阻范围至一高电阻范围，或者编程该存储单元的方法为改变该存储单元的电阻值从一高电阻范围至一低电阻范围；
其中该存储单元的一可编程元件包含具有可编程电阻的一金属氧化物。
5.一种用以执行一编程操作于一存储阵列的多个存储单元上的方法，其中一数据图案识别待被编程的存储单元，各存储单元包含相对的一可编程元件，该方法包括：
a)施加一编程脉冲至该数据图案中所识别的多个存储单元，该编程脉冲具有一第一极性、一振幅、及一脉冲宽度；
b)第一次验证该数据图案中所识别的这些存储单元的电阻是否在一目标电阻范围中；
c)施加一稳定化脉冲至通过该第一次验证的这些存储单元；
执行包含步骤a)、b)、及c)的叠代至未通过该第一次验证的存储单元，直至所有被识别的存储单元通过该第一次验证；以及
d)在施加该稳定化脉冲后，第二次验证通过该第一次验证的这些存储单元的电阻是否在一稳定化目标电阻范围中，其中该稳定化目标电阻范围不同于该第一次验证的该目标电阻范围，且这些叠代包含步骤d)，并进一步：
执行包含步骤a)至d)的这些叠代直到所有被识别存储单元通过该第一次验证及该第二次验证；
其中，该第一次验证是被执行以验证一输入缓冲器中所识别的该存储单元的电阻是否在该目标电阻范围，通过该第一次验证的存储单元被识别或标记；
通过该输入缓冲器中对应位而识别出未通过该第一次验证的存储单元，通过一验证缓冲器中对应位而识别出未通过该第二次验证的存储单元；
该输入缓冲器是被更新以识别在目前叠代中未通过该第一次验证或该第二次验证的存储单元。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，该方法更包括改变在这些叠代的至少一者中的该编程脉冲的振幅及脉冲宽度的其中一者或两者。
7.根据权利要求5所述的方法，其中这些叠代的至少一特定叠代中的该稳定化脉冲的振幅是这些叠代的该至少一特定叠代中的该编程脉冲的振幅的函数，或这些叠代的至少一特定叠代中的该稳定化脉冲的脉冲宽度是这些叠代的该至少一特定叠代中的该编程脉冲的脉冲宽度的函数；
其中该多个存储单元中的这些可编程元件包含具有可编程电阻的一金属氧化物。
8.一种存储器，包括：
多个存储单元，各该存储单元包含一可编程元件；
逻辑，用以执行一编程操作，该编程操作包含：
a)施加一编程脉冲至一数据图案中所识别的多个存储单元，该编程脉冲具有一第一极性、一振幅、及一脉冲宽度；
b)第一次验证该数据图案中所识别的这些存储单元的电阻是否在一目标电阻范围中；
c)施加一稳定化脉冲至通过该第一次验证的这些存储单元；
执行包含步骤a)、b)、及c)的叠代至未通过该第一次验证的存储单元，直至所有被识别的存储单元通过该第一次验证；以及
d)在施加该稳定化脉冲后，第二次验证通过该第一次验证的这些存储单元的电阻是否在一稳定化目标电阻范围中，其中该稳定化目标电阻范围不同于该第一次验证的该目标电阻范围，且这些叠代包含步骤d)，并进一步执行包含步骤a)至d)的这些叠代直到所有被识别存储单元通过该第一次验证及该第二次验证；
其中，该第一次验证是被执行以验证一输入缓冲器中所识别的该存储单元的电阻是否在该目标电阻范围，通过该第一次验证的存储单元被识别或标记；
通过该输入缓冲器中对应位而识别出未通过该第一次验证的存储单元，通过一验证缓冲器中对应位而识别出未通过该第二次验证的存储单元；
该输入缓冲器是被更新以识别在目前叠代中未通过该第一次验证或该第二次验证的存储单元。
9.根据权利要求8所述的存储器，其中，该编程操作更包括改变在这些叠代的至少一者中的该编程脉冲的振幅及脉冲宽度的其中一者或两者。
10.根据权利要求8所述的存储器，其中，在该编程操作中，这些叠代的至少一特定叠代中的该稳定化脉冲的振幅是这些叠代的该至少一特定叠代中的该编程脉冲的振幅的函数，或，这些叠代的至少一特定叠代中的该稳定化脉冲的脉冲宽度是这些叠代的该至少一特定叠代中的该编程脉冲的脉冲宽度的函数；
其中该多个存储单元中的这些可编程元件包含具有可编程电阻的一金属氧化物。
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