CN114284312A - 一种ots选通管的操作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种OTS选通管的操作方法，属于微纳米电子技术领域，包括：在OTS选通管两端施加脉冲，提取每次施加脉冲后OTS选通管的阈值电压Vth；若Vth连续P次增大或Vth连续P次减小，则从下次起施加反向脉冲，并对Vth增大或减小的次数重新计数。通过对OTS选通管两端施加双向脉冲，在操作次数增加时，双向脉冲对应的场致效应在不同局域缺陷态富集电子，形成不同电子分布，从而抑制单向脉冲操作下在局域缺陷态富集电子，减小了阈值电压漂移；且本发明所提供的操作方法为电学操作方法，该操作方法简单可控，在对选通管制备工艺要求没有提高的前提下，有效解决了OTS选通管器件的阈值漂移问题，大大优化了OTS选通管的性能。
Description
技术领域
本发明属于微纳米电子技术领域，更具体地，涉及一种OTS选通管的操作方法。
背景技术
下一代的新型非易失存储器，如相变存储器(Phase Change Memory，PCM)、阻变存储器等器件，由于其极快的擦写速度、极佳的微缩性能、可三维堆叠等特性成为当前最热门的下一代存储器。尤其是相变存储器，作为最重要的新一代存储器技术之一，其产品容量、存储密度、工艺尺寸、稳定性、读写性能、擦写寿命、器件功耗等多个方面展示出了巨大的优势。除了非破坏性读取、寿命、非挥发性、擦写速度之外，相变存储器还有多值存储、与现有工艺兼容、可以随着工艺技术的发展而等比例缩小等竞争优势。
特别地，相变存储器的一大重要优势是能够三维集成，能够大幅度提高存储密度。然而，存储单元三维堆叠后，其操作过程会不可避免产生巨大的漏电流，严重限制了三维相变存储器的发展。为抑制漏电流的产生，在三维堆叠的存储单元中引入了选通管，通过选通管和相变存储单元集成可以有效地解决漏电流问题。Ovonic Threshold Switch(OTS)选通管因其良好的综合性能，被广泛用于与PCM集成，所以优化OTS选通管的性能至关重要。OTS选通管因其自身存在的随机性，每次电操作过程中的阈值电压都会变化，即存在阈值漂移问题，会对OTS选通管的状态判断存在严重影响，进而导致易产生误操作等问题，限制了OTS选通管的应用范围。
目前，最主要的优化OTS选通管性能的手段集中在工艺部分，包括调节OTS选通管的组元组分、在OTS选通管中参杂其它元素和采用多层结构等方法。但是，上述工艺手段都增大了OTS选通管的工艺复杂度，并且在优化某方面性能的同时会对其他方面性能造成影响。因此，如何通过更加简单直接的操作方法去解决OTS选通管的阈值漂移问题非常重要。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种OTS选通管的操作方法，用以解决现有技术无法以较为简单的操作方法来解决OTS选通管的阈值漂移问题的技术问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种OTS选通管的操作方法，包括：在OTS选通管两端施加脉冲，提取每次施加脉冲后OTS选通管的阈值电压Vth；若Vth连续P次增大或Vth连续P次减小，则从下次起施加反向脉冲，并对Vth增大或减小的次数重新计数；其中，P大于或等于2。
进一步优选地，在OTS选通管两端施加双向脉冲：每施加N次同向脉冲后施加M次反向脉冲；其中，N大于或等于1，M大于或等于1。
进一步优选地，在OTS选通管两端施加的脉冲为三角波。
进一步优选地，在OTS选通管两端施加的脉冲为梯形波或矩形波。
进一步优选地，OTS选通管包括从上到下依次放置的第一电极层、硫系选通材料层和第二电极层。
进一步优选地，上述硫系选通材料层的材料为：SiTex、CTex、BTex、GeTex、AlTex、GeSbx、BiTex、AsTex、SnTex和BiTex中的至少一种。
进一步优选地，上述硫系选通材料层的材料为：SiTex、CTex、BTex、GeTex、AlTex、GeSbx、BiTex、AsTex、SnTex、BiTex中至少一种化合物掺杂N、Sb、Bi和C中的至少一种元素所形成的混合物。
进一步优选地，上述硫系选通材料层的材料为：SiTex、CTex、BTex、GeTex、AlTex、GeSbxTey、GeSbx、BiTex、AsTex、SnTex和BiTex中至少一种化合物掺杂Si元素所形成的混合物。
进一步优选地，上述第一电极层和第二电极层均为惰性电极材料。
进一步优选地，上述惰性电极材料为W、TiW、Pt、Au、Ru、Al、TiN、Ta、TaN、IrO2、ITO和IZO中的至少一种。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
1、本发明提供了一种OTS选通管的操作方法，通过对OTS选通管两端施加双向脉冲，在操作次数增加时，双向脉冲对应的场致效应在不同局域缺陷态富集电子，形成不同电子分布，从而抑制单向脉冲操作下在局域缺陷态富集电子，减小了阈值电压漂移；在此基础上，本发明考虑到OTS选通管的随机性，通过设定了施加反向脉冲的判决条件，判断是否需要通过双向脉冲来抑制阈值漂移，使得阈值在一定范围内上下波动的OTS选通管保持其现有的非晶态局域结构；且本发明所提供的操作方法为电学操作方法，该操作方法简单可控，在对选通管制备工艺要求没有提高的前提下，有效解决了OTS选通管器件的阈值漂移问题，大大优化了OTS选通管的性能。
2、本发明所提供的OTS选通管的操作方法，能够有效抑制OTS选通管器件的阈值漂移现象，解决了OTS选通管操作窗口变小和易产生误操作等的问题，使其在存储器件和神经形态计算中的应用更广泛。
3、本发明所提供的OTS选通管的操作方法，与目前对OTS选通管进行电操作时的操作脉冲兼容，可以在不影响OTS选通管电测试需求下改善其阈值漂移问题。
4、本发明所提供的OTS选通管的操作方法，与相变存储单元现有的操作方法兼容，通过抑制OTS选通管器件的阈值漂移现象，可以在不增大外部电路面积情况下，改善了操作窗口小和易产生误操作的问题，提高了与相变存储单元集成的器件的可靠性，改善了三维相变存储器的性能。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于OTS选通管的操作方法在OTS选通管两端施加的操作脉冲电压-时间示意图；
图2为本发明实施例提供的在单向三角波脉冲的作用下所得的OTS选通管的阈值电压-采集点分布图；
图3为本发明实施例提供的在交替的双向三角波的作用下所得的OTS选通管的阈值电压-采集点分布图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
为了从操作方法上解决OTS选通管出现的阈值电压漂移问题，改善其性能，提高其可靠性和应用价值，本发明提供了一种OTS选通管的操作方法，包括：在OTS选通管两端施加脉冲，提取每次施加脉冲后OTS选通管的阈值电压Vth；若Vth连续P次增大或Vth连续P次减小，则从下次起施加反向脉冲，并对Vth增大或减小的次数重新计数；其中，P大于或等于2。具体地，P的取值和OTS选通管类型相匹配，一般取值在2～5之间。
需要说明的是，本发明通过对OTS选通管两端施加双向脉冲，在操作次数增加时，双向脉冲对应的场致效应在不同局域缺陷态富集电子，形成不同电子分布，从而抑制单向脉冲操作下在局域缺陷态富集电子，大大减小了阈值电压漂移。但是OTS选通管具有随机性，不同的OTS选通管其在单向脉冲下会形成不同的局域态。在单向脉冲下阈值除了会产生漂移外，还有很多OTS选通管的阈值会在一定范围内上下波动。如果一些选通管阈值一直是在一个区间上下波动，一方面没有加双向脉冲去抑制阈值漂移的必要，另一方面反向加脉冲反而可能打破现有非晶态局域结构，使其阈值向一个方向漂移。因此本发明设定了施加反向脉冲的判决条件，通过增加OTS选通管向一个方向漂移程度的描述，判断是否需要通过双向脉冲来抑制阈值漂移；其中，P值大于或等于2是说明阈值已经连续朝一个方向漂移了，需要施加双向脉冲来抑制阈值漂移。
在一些可选实施方式下，在OTS选通管两端施加双向脉冲，具体为：每施加N次同向脉冲后施加M次反向脉冲；其中，N大于或等于1，M大于或等于1；具体地，N和M的取值根据OTS选通管的类型以及上述施加反向脉冲的判决条件确定；一般来说，N和M相同。
在一些可选实施方式下，在OTS选通管两端施加的脉冲为三角波，其只有上升下降沿、脉宽为0ns，且幅值为1-5V。
在一些可选实施方式下，在OTS选通管两端施加的脉冲为梯形波或矩形波，其同时具有上升下降沿和脉宽，且其幅值为1-10V。按照上述脉冲施加方式将上述单向脉冲中的部分脉冲反向施加；基于上述施加脉冲的方式，在一些可选实施方式下，所施加的脉冲为如图1所示的正负脉冲依次交替的双向矩形波。
需要说明的是，本发明中的OTS选通管包括从上到下依次放置的第一电极层、硫系选通材料层和第二电极层；
其中，硫系选通材料层的材料为：SiTex、CTex、BTex、GeTex、AlTex、GeSbx、BiTex、AsTex、SnTex和BiTex中的至少一种；或者，SiTex、CTex、BTex、GeTex、AlTex、GeSbx、BiTex、AsTex、SnTex、BiTex中至少一种化合物掺杂N、Sb、Bi和C中的至少一种元素所形成的混合物；或者，SiTex、CTex、BTex、GeTex、AlTex、GeSbxTey、GeSbx、BiTex、AsTex、SnTex和BiTex中至少一种化合物掺杂Si元素所形成的混合物。
进一步地，第一电极层和第二电极层均为惰性电极材料。惰性电极材料为W、TiW、Pt、Au、Ru、Al、TiN、Ta、TaN、IrO2、ITO(氧化铟锡)和IZO(氧化铟锌)中的至少一种。
为了进一步说明本发明所提供的OTS选通管的操作方法对阈值电压漂移问题的解决效果，下面结合实施例进行详述：
实施例、
本实施例中对OTS选通管两端施加脉冲；其中，OTS选通管的硫系选通材料为GexTe1-x，第一电极层和第二电极层的材料均为W。
在OTS选通管的脉冲操作方法中，为方便提取阈值电压，采用上升500ns下降500ns，最大幅值为2.5V的三角波。
使用上述的单向三角波脉冲连续对OTS选通管施加同向脉冲，提取每次脉冲对应的阈值电压，每100个脉冲计算其阈值电压的平均值及95％的置信区间CI，记一个采集点，共得到7个采集点；在单向三角波脉冲的作用下，所得的OTS选通管的阈值电压-采集点分布图如图2所示；由图2中OTS选通管的阈值电压均值的变化趋势可以看出，阈值电压随着脉冲操作次数的增多而呈明显减小。
而在上述三角波基础上，基于本发明所提供的操作方法，将其改为幅值2.5V和-2.5V依次交替的双向三角波，连续施加在OTS选通管两端，采用与上述相同的处理方法，得到了如图3所示的OTS选通管的阈值电压-采集点分布图；从图3可以看出，阈值电压没有发生明显变化，维持在1.3V附近，由此可知，阈值电压漂移问题取得了明显的优化。
综上，通过双向脉冲操作，双向脉冲对应的场致效应在不同局域缺陷态富集电子，形成不同电子分布，从而抑制单向脉冲操作下在局域缺陷态富集电子，减小阈值电压漂移。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种OTS选通管的操作方法，其特征在于，包括：在OTS选通管两端施加脉冲，提取每次施加脉冲后OTS选通管的阈值电压Vth；若Vth连续P次增大或Vth连续P次减小，则从下次起施加反向脉冲，并对Vth增大或减小的次数重新计数；其中，P大于或等于2。
2.根据权利要求1所述的OTS选通管的操作方法，其特征在于，在所述OTS选通管两端施加双向脉冲：每施加N次同向脉冲后施加M次反向脉冲；其中，N大于或等于1，M大于或等于1。
3.根据权利要求1或2所述的OTS选通管的操作方法，其特征在于，在所述OTS选通管两端施加的脉冲为三角波。
4.根据权利要求1或2所述的OTS选通管的操作方法，其特征在于，在所述OTS选通管两端施加的脉冲为梯形波或矩形波。
5.根据权利要求1或2所述的OTS选通管的操作方法，其特征在于，所述OTS选通管包括从上到下依次放置的第一电极层、硫系选通材料层和第二电极层。
6.根据权利要求5所述的OTS选通管的操作方法，其特征在于，所述硫系选通材料层的材料为：SiTex、CTex、BTex、GeTex、AlTex、GeSbx、BiTex、AsTex、SnTex和BiTex中的至少一种。
7.根据权利要求5所述的OTS选通管的操作方法，其特征在于，所述硫系选通材料层的材料为：SiTex、CTex、BTex、GeTex、AlTex、GeSbx、BiTex、AsTex、SnTex、BiTex中至少一种化合物掺杂N、Sb、Bi和C中的至少一种元素所形成的混合物。
8.根据权利要求5所述的OTS选通管的操作方法，其特征在于，所述硫系选通材料层的材料为：SiTex、CTex、BTex、GeTex、AlTex、GeSbxTey、GeSbx、BiTex、AsTex、SnTex和BiTex中至少一种化合物掺杂Si元素所形成的混合物。
9.根据权利要求5所述的OTS选通管的操作方法，其特征在于，所述第一电极层和所述第二电极层均为惰性电极材料。
10.根据权利要求9所述的OTS选通管的操作方法，其特征在于，所述惰性电极材料为W、TiW、Pt、Au、Ru、Al、TiN、Ta、TaN、IrO2、ITO和IZO中的至少一种。
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