CN112086118A - 可变电阻式存储器、其编程方法及电压编程方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可变电阻式存储器、其编程方法及电压编程方法，该可变电阻式存储器包括一上电极层、一下电极层以及一可变电阻层。可变电阻层设置于上电极层与下电极层之间。可变电阻层的阻值介于100K至100M欧姆之间。
Description
技术领域
本发明是有关于一种非易失性(nonvolatile)存储器，且特别是有关于一种可变电阻式存储器(Resistive Random-access Memory，ReRAM)、其编程方法及存储单元的电压编程方法。
背景技术
非易失性(nonvolatile)存储器的一种形式为单次可编程(One TimeProgrammable，OTP)存储器。单次可编程存储器的一种形式为反熔丝(anti-fuse)。为了编程反熔丝，诸如一氧化物的介电层经受一高电场以便产生一穿过介电质的隧道电流。该隧道电流导致被称为硬介电质击穿的现象。在介电质击穿后，穿过介电质而形成一导电路径，因此使得反熔丝变为导电的。
单次可编程存储器可充当一只读存储器(Read-only memory，ROM)，因为编程为不可逆的。由于单次可编程存储器初始编程之后就无法更改或重置使用，因此单次可编程存储器广泛应用于编码储存、电路微调及芯片识别码等领域。
发明内容
本发明是有关于一种以可变电阻式存储器作为单次可编程存储器，由于可变电阻式存储器具有低编程电压、快速编程速度以及低成本，因此可变电阻式存储器可作为单次可编程存储器应用的一种形式。
根据本发明的一方面，提出一种存储单元的电压编程方法。此方法包括以一固定编程电压施加在存储单元上进行多次编程。若存储单元的阻值未达到一预定值，使用具有增量的下一个固定编程电压对此存储单元进行多次编程。
根据本发明的一方面，提出一种可变电阻式存储器的编程方法，包括施加一第一顺应电流于可变电阻式存储器中或施加大于该第一顺应电流的一第二顺应电流于该可变电阻式存储器中，以使该可变电阻式存储器的阻值介于100K至100M欧姆之间。
根据本发明的一方面，提出一种可变电阻式存储器，包括一上电极层、一下电极层以及一可变电阻层。可变电阻层设置于上电极层与下电极层之间。可变电阻层的阻值介于100K至100M欧姆之间。
为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举实施例，并配合附图详细说明如下。
附图说明
图1A至图1D分别绘示可变电阻式存储器于不同顺应电流下的不同成形状态的示意图。
图2A及图2B绘示一种增量步进脉冲编程方法的示意图。
图3A及图3B绘示另一种电压编程方法的示意图。
图4A绘示编程的存储单元的阻值分布图。
图4B绘示编程的次数与编程电压的目标电平的关系图。
【附图标记说明】
100：可变电阻式存储器
102：上电极层
104：下电极层
106：可变电阻层
Vpp：编程电压
ΔV：步进增量
T1、T2：尾部
L1、L2：长度
C1、C2、C3：顺应电流
V1、V2、V3：氧空位
具体实施方式
以下是提出实施例进行详细说明，实施例仅用以作为示例说明，并非用以限缩本发明欲保护的范围。以下是以相同/类似的符号表示相同/类似的元件做说明。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考所附图式的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。
根据本发明的一实施例，提出一种可变电阻式存储器。由于可变电阻式存储器是一种新兴的非易失性存储器，可嵌入到CMOS后段半导体工艺中，对于未来的车联网、物联网及人工智能等层面需要即时数据储存需求、低能耗、数据耐久度高、每次写入或储存的数据单位小等需求，可变电阻式存储器绝对是不可或缺的。本发明利用可变电阻式存储器会随着所加偏压改变而产生不同的阻值的特性，对可变电阻式存储器进行初始化，以将可变电阻式存储器的阻值降低至一设定值。此种对可变电阻式存储器的阻值进而初始化的过程称为成形(Forming)，本发明提出一种通过使用特定的成形阶段(forming states)来制作多层式(multi-level)的单次可编程可变电阻式存储器，用以设定存储单元内的位元数据。此外，本发明提出一种可变电阻式存储器的编程方法，可根据不同的初始化电流来设定可变电阻式存储器的内部阻值的高低，以获得紧密且精确的成形分布(formingdistribution)。
请参照图1A至图1D，其分别绘示可变电阻式存储器100于不同顺应电流下的不同成形状态的示意图。在图1A中，可变电阻式存储器100于成形操作之前具有初始阻值，例如100M(百万)～10M(百万)欧姆(在此M即Mega的符号缩写)，因此是不导电的。在图1B中，于第一成形状态中，施加第一顺应电流C1(例如大于10μA)于可变电阻式存储器100中，将引起较少的氧空位(oxygen vacancy)V1产生，因此可变电阻式存储器100的阻值降低，例如介于3M至1000K欧姆之间。在图1C中，施加大于第一顺应电流C1的第二顺应电流C2(例如大于50μA)于可变电阻式存储器100中，将引起更多的氧空位V2产生，因此可变电阻式存储器100具有较低的阻值，例如介于1000K至500K欧姆之间。在图1D中，施加大于第一及第二顺应电流的第三顺应电流C3(例如大于100μA)于可变电阻式存储器100中，将引起更多的氧空位V3产生，因此可变电阻式存储器100具有更低的阻值，例如介于500K至150K欧姆之间。
在一实施例中，上述用于成形操作的第一顺应电流C1、第二顺应电流C2、第三顺应电流C3的范围较佳介于10μA至300μA之间，但本发明不以此为限。此外，在一实施例中，上述处于不同成形状态的可变电阻式存储器100的阻值例如介于100K至100M欧姆之间，较佳位于200K至20M欧姆之间，更佳位于500K至5M欧姆之间，但本发明对此不加以限制。
根据上述内容，提出一种激活可变电阻式存储器的开关层(可变电阻层)的特定成形方法。当施加特定的成形电压时，在可变电阻式存储器100的开关层中形成导电丝(conduction filament)，用以降低可变电阻式存储器100的阻值。在一实施例中，可以通过控制字线WL施加的顺应电流(compliance current)来调节成形状态的可变电阻式存储器100的阻值。当成形操作中施加较低顺应电流至可变电阻式存储器100时，可使开关层内部形成较弱、较窄的导电丝，因此可获得具有高电阻的可变电阻式存储器100。反之，当施加较高顺应电流至可变电阻式存储器100时，可使开关层内部形成较强、较宽的导电丝，因此可获得具有低电阻的可变电阻式存储器100。据此，本发明通过顺应性控制各个可变电阻式存储器100的成形状态，可以为多层式的单次可编程可变电阻式存储器构建出多种变化的阻值。
请参照图1A，可变电阻式存储器100包括一上电极层102、一下电极层104以及一可变电阻层106。可变电阻层106例如为过渡金属氧化物，其设置于上电极层102与下电极层104之间，且上电极层102与下电极层104彼此相对。可变电阻层106的阻值介于100K至100M(百万)欧姆之间，而使具有上述阻值范围的可变电阻层106可以作为单次可编程存储器。
上述的可变电阻式存储器100例如是基于氧化钨(WOx)的可变电阻式存储器、基于氧化钽(Ta2O5)的可变电阻式存储器、基于二氧化铪(HfO2)的可变电阻式存储器、基于氮氧化钛(TiON)的可变电阻式存储器、基于氧化钛(TiOx)的可变电阻式存储器、基于混合的可变电阻式存储器(例如HfTiO可变电阻式存储器)等。
请参照图2A及图2B，其绘示一种现有的增量步进脉冲编程(Incremental StepPulse Programming，ISPP)方法，首先，将编程电压Vpp施加在一欲被编程的存储单元上，依序调高位线的电压值，使电子可穿过存储单元，然后再验证第一次编程的存储单元的阻值是否已经达到一预定值。如果验证通过，那么此时被第一次编程的存储单元的阻值分布达到要求，编程结束。反之，若未验证通过，使用下一个步进增量的编程电压Vpp+ΔV进行编程，并依序调高位线的电压值，使电子可穿过存储单元，然后再验证第二次编程的存储单元的阻值是否已经达到一预定值。如果验证通过，那么此时被第二编程的存储单元的阻值分布达到要求，编程结束。
也就是说，上述的存储单元在多阶段中被编程，且被编程的存储单元的编程电压Vpp提升至连续增加的电压电平，例如每次增量0.1V，直到编程电压Vpp到达目标电平为止。然而，此种方法的增量ΔV过快会造成过度成形的问题，因而使得被编程的存储单元的阻值变异过大或合格机率过低。
为了改善上述阻值变异的问题，请参照图3A及图3B，本发明提出一种存储单元的电压编程方法，其中以一固定编程电压Vpp对一欲编程的存储单元进行多次编程，接着，验证存储单元的阻值是否已经达到一预定值，若阻值未通过验证，使用具有增量的下一个固定编程电压Vpp+ΔV对该存储单元进行多次编程，再验证存储单元的阻值是否已经达到该预定值。当该存储单元的阻值已经达到该预定值，编程结束，否则，持续编程，直到编程电压到达一目标电平为止。在本实施例中，编程电压Vpp例如1V至5V，位线电压可为一固定值，例如1V至4V，可依照编程电压Vpp大小而决定。
在一实施例中，以固定编程电压Vpp进行多次编程的次数例如介于2次至100次之间，且下一个固定编程电压增量ΔV例如0.1V，直到编程电压Vpp到达目标电平为止，但本发明对此不加以限制。由于本实施例采用固定的编程电压进行编程多次，可以有效地控制顺应电流，与上述的现有ISPP方法每次循环就增加一个增量ΔV相比，可减少过度成形分布尾部(over-forming distribution tail)的长度及阻值变异，如图4A所示，改善后的ISPP的尾部T2长度(以L2表示)小于原先ISSP的尾部T1长度(以L1表示)，进而提高被编程的存储单元的阻值的精确度。
请参照图4B，其绘示编程的次数与编程电压的目标电平的关系图。此关系图用于比较固定编程电压Vpp从1V开始至3V，具有不同的重复编程次数(周期介于2次至100次之间)，直到达到符合预设阻值标准的目标电平为止。由此关系图可知，重复编程次数由2次增加至100次时，编程电压Vpp的目标电平相对较低，例如小于等于2V，因此本实施例的方法可符合低编程电压、快速编程速度以及低成本的需求。
上述的电压编程方法可用于单次可编程可变电阻式存储器(OTP ReRAM)中，有助于精确控制单次可编程可变电阻式存储器的阻值，例如应用于类神经网络中以储存一位元数据，其中单次可编程可变电阻式存储器例如是基于WOx的可变电阻式存储器、基于Ta2O5的可变电阻式存储器、基于HfO2的可变电阻式存储器、基于TiON的可变电阻式存储器、基于TiOx的可变电阻式存储器、基于混合的可变电阻式存储器(例如HfTiO ReRAM)等，本发明对此不加以限制。此外，上述方法亦可应用在其他非易失性存储器，例如导电桥接存取存储器(conductive-bridging RAM，CBRAM)或相变化存储器(Phase-change memory，PCM)等，本发明对此不加以限制。
综上所述，虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中普通技术人员，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所界定的为准。
Claims (16)
1.一种存储单元的电压编程方法，该方法包括：
以一固定编程电压施加在该存储单元上以进行多次编程；
若该存储单元的阻值未达到一预定植，使用具有增量的下一个固定编程电压对该存储单元进行多次编程。
2.如权利要求1项所述的方法，其中当该存储单元的阻值已经达到该预定值，编程结束，若未达到该预定值，持续编程，直到该编程电压到达一目标电平为止。
3.如权利要求2项所述的方法，其中该目标电平小于等于2V。
4.如权利要求1项所述的方法，其中以该固定编程电压进行编程的次数介于2次至100次之间。
5.如权利要求1项所述的方法，其中该存储单元为单次可编程可变电阻式存储器。
6.如权利要求1项所述的方法，其中该存储单元为导电桥接存取存储器或相变化存储器。
7.一种可变电阻式存储器的编程方法，包括：
施加一第一顺应电流于可变电阻式存储器中或施加大于该第一顺应电流的一第二顺应电流于该可变电阻式存储器中，以使该可变电阻式存储器的阻值介于100K至100M欧姆之间。
8.如权利要求7项所述的方法，其中该可变电阻式存储器为单次可编程存储器。
9.如权利要求7项所述的方法，其中该第一顺应电流与该第二顺应电流介于10μA至300μA之间。
10.如权利要求7项所述的方法，其中该可变电阻式存储器的阻值介于200K至20M欧姆之间。
11.如权利要求7项所述的方法，其中该可变电阻式存储器的阻值介于500K至5M欧姆之间。
12.一种可变电阻式存储器，包括：
一上电极层；
一下电极层；以及
一可变电阻层，设置于该上电极层与该下电极层之间，该可变电阻层的阻值介于100K至100M欧姆之间。
13.如权利要求12项所述的存储器，其中该可变电阻式存储器为单次可编程存储器。
14.如权利要求12项所述的存储器，其中该可变电阻式存储器是基于WOx的可变电阻式存储器、基于Ta2O5的可变电阻式存储器、基于HfO2的可变电阻式存储器、基于TiON的可变电阻式存储器、基于TiOx的可变电阻式存储器或上述存储器的混合。
15.如权利要求12项所述的存储器，其中该可变电阻式存储器的阻值介于200K至20M欧姆之间。
16.如权利要求12项所述的存储器，其中该可变电阻式存储器的阻值介于500K至5M欧姆之间。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20201215 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |