电阻式存储器元件的操作方法与流程

本发明涉及一种存储器元件的操作方法，尤其涉及一种电阻式存储器元件的操作方法。

背景技术：

近年来电阻式存储器(诸如电阻式随机存取存储器(resistiverandomaccessmemory，rram))的发展极为快速，是目前最受瞩目的未来存储器的结构。由于电阻式存储器具备低功耗、高速运作、高密度以及相容于互补式金属氧化物半导体制程技术的潜在优势，因此非常适合作为下一世代的非易失性存储器元件。

现行的电阻式存储器通常包括相对配置的上电极与下电极以及位于上电极与下电极之间的介电层。在现行的电阻式存储器可反复地在高低电阻状态间切换以存储数据前，首先需进行通道形成(forming)的程序。形成的程序包括对电阻式存储器施加一偏压，例如正偏压，使电流从上电极流至下电极，使得介电层中产生氧空缺(oxygenvacancy)和氧离子(oxygenion)而形成电流路径，使电阻式存储器自高阻态(highresistancestate，hrs)变为低阻态(lowresistancestate，lrs)，以形成导电灯丝(filament)。通常，在所形成的灯丝中，邻近上电极处的部分的直径会小于邻近下电极处的部分的直径。之后，可对电阻式存储器进行重置(reset)或设定(set)，使电阻式存储器分别切换为高阻态与低阻态，以完成数据的存储。此外，当对现行的电阻式存储器进行重置时，包括对电阻式存储器施加与设定时极性相反的反向偏压，使电流从下电极流至上电极。此时，邻近上电极处的氧空缺与部份氧离子结合而中断电流路径，使得灯丝在邻近上电极处断开。当对现行的电阻式存储器进行设定时，包括可对电阻式存储器施加与灯丝成形的程序时极性相同的偏压，使电流从上电极流至下电极。此时，邻近上电极处的氧离子脱离，重新形成氧空缺，使得灯丝在邻近上电极处重新形成。

然而，在现有技术中，若电阻式存储器经过加热步骤通常会降低其读取边界，从而造成无法正确判断电阻式存储器的逻辑状态。因此，如何增加电阻式存储器的读取边界为目前的重要课题之一。

技术实现要素：

本发明提供一种电阻式存储器元件的操作方法，可增加电阻式存储器元件的读取边界。

本发明的电阻式存储器元件的操作方法包括：对电阻式存储器元件执行加热步骤；对电阻式存储器元件执行设定及重置循环操作，以增加电阻式存储器元件的读取边界；以及判断电阻式存储器元件是否通过读取边界验证。设定及重置循环操作在加热步骤之后执行。

在一实施例中，在对电阻式存储器元件执行设定及重置循环操作的步骤之后，所述电阻式存储器元件的操作方法还包括：若电阻式存储器元件通过读取边界验证，结束设定及重置循环操作；以及若电阻式存储器元件不通过读取边界验证，重复对电阻式存储器元件执行设定及重置循环操作的步骤直到电阻式存储器元件通过读取边界验证，或者直到一预设次数。

在一实施例中，上述的电阻式存储器元件的操作方法还包括对电阻式存储器元件执行形成程序以及初始重置程序。形成程序包括加热步骤。设定及重置循环操作在形成程序以及初始重置程序结束之后执行。

在一实施例中，上述的电阻式存储器元件的操作方法还包括安装电阻式存储器元件于电路板上。安装步骤包括加热步骤。设定及重置循环操作用以程序化及抹除电阻式存储器元件。

本发明的电阻式存储器元件的操作方法包括：对电阻式存储器元件执行刷新操作；依据电阻式存储器元件是否经过加热步骤，来决定是否对电阻式存储器元件执行程序化及抹除循环操作，以增加电阻式存储器元件的读取边界；以及判断电阻式存储器元件是否通过读取边界验证。程序化及抹除循环操作在刷新操作之后执行。

在一实施例中，上述的电阻式存储器元件的操作方法还包括：判断电阻式存储器元件是否经过加热步骤；若电阻式存储器元件经过加热步骤，在刷新操作之后，对电阻式存储器元件执行程序化及抹除循环操作；以及若电阻式存储器元件没有经过加热步骤，结束电阻式存储器元件的操作方法。

在一实施例中，上述的电阻式存储器元件包括第一晶胞阵列以及第二晶胞阵列。所述电阻式存储器元件的操作方法还包括对第一晶胞阵列施加弱设定电压，以使第一晶胞阵列的多个存储器晶胞从第一电阻状态转变为第二电阻状态。弱设定电压的电压值小于正常设定电压的电压值。判断电阻式存储器元件是否经过加热步骤的步骤包括：判断第一晶胞阵列中的存储器晶胞从第二电阻状态转变为第一电阻状态的数量是否大于临界值；若存储器晶胞从第二电阻状态转变为第一电阻状态的数量大于临界值，判断电阻式存储器元件经过加热步骤；以及若存储器晶胞从第二电阻状态转变为第一电阻状态的数量小于或等于临界值，判断电阻式存储器元件没有经过加热步骤。

在一实施例中，在对电阻式存储器元件执行程序化及抹除循环操作的步骤之后，所述电阻式存储器元件的操作方法还包括：若电阻式存储器元件通过读取边界验证，结束程序化及抹除循环操作；以及若电阻式存储器元件不通过读取边界验证，重复对电阻式存储器元件执行程序化及抹除循环操作的步骤直到电阻式存储器元件通过读取边界验证，或者直到一预设次数。

在一实施例中，上述的电阻式存储器元件的操作方法还包括对电阻式存储器元件执行上电操作。判断电阻式存储器元件是否经过加热步骤的步骤在上电操作结束之后执行。

在一实施例中，刷新操作在上电操作结束之后执行。

基于上述，在本发明的操作方法中，在电阻式存储器元件经过加热步骤之后，包括设定及重置循环操作或者程序化及抹除循环操作步骤，以增加电阻式存储器元件的读取边界。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1显示本发明一实施例的存储器存储装置的概要示意图；

图2显示本发明一实施例的存储器晶胞中的灯丝经形成程序、重置操作及设定操作的概要示意图；

图3显示本发明一实施例的电阻式存储器元件的操作方法；

图4显示本发明另一实施例的电阻式存储器元件的操作方法；

图5显示本发明另一实施例的电阻式存储器元件的操作方法；

图6显示本发明另一实施例的电阻式存储器元件的操作方法；

图7显示本发明一实施例的判断电阻式存储器元件是否经过加热步骤的方法流程图。

附图标记说明：

100：存储器存储装置

110：存储器控制电路

120：电阻式存储器元件

122：存储器晶胞

210：上电极

212：氧离子

220：下电极

222：氧原子

230：介电层

232：氧空缺

v1：形成电压

v2：重置电压

v3：设定电压

hrs：高阻态

lrs：低阻态

s100、s110、s120、s200、s210、s220、s300、s310、s400、s410、s412、s414、s416、s420、s430、s440、s450：方法步骤

具体实施方式

以下提出多个实施例来说明本发明，然而本发明不仅限于所例示的多个实施例。又实施例之间也允许有适当的结合。在本申请说明书全文(包括申请专利范围)中所使用的“耦接”一词可指任何直接或间接的连接手段。举例而言，若文中描述第一装置耦接于第二装置，则应该被解释成该第一装置可以直接连接于该第二装置，或者该第一装置可以通过其他装置或某种连接手段而间接地连接至该第二装置。此外，“信号”一词可指至少一电流、电压、电荷、温度、数据、电磁波或任何其他一或多个信号。

图1显示本发明一实施例的存储器存储装置的概要示意图。图2显示本发明一实施例的存储器晶胞中的灯丝经形成程序、重置操作及设定操作的概要示意图。请参考图1及图2，本实施例的存储器存储装置100包括存储器控制电路110以及电阻式存储器元件120。电阻式存储器元件120耦接至存储器控制电路110。电阻式存储器元件120包括多个以阵列方式排列的存储器晶胞122。在本实施例中，存储器晶胞122包括上电极210、下电极220以及介电层230。上电极210及下电极220为良好的金属导体，两者的材料可以相同或不相同。介电层230设置在上电极210以及下电极220之间。介电层230包括介电材料，例如包括过渡金属氧化物。存储器晶胞122至少具有两种阻值状态，通过在上电极210及下电极220分别施加不同的电压来改变存储器晶胞122的阻值状态，存储器晶胞122可提供存储数据的功能。

在本实施例中，存储器晶胞122例如具有一晶体管一电阻(1t1r)的结构，或者二晶体管二电阻(2t2r)的结构，其实施方式可以由所属技术领域的通常知识获致足够的教示、建议与实施说明。本发明对存储器晶胞122的结构并不加以限制。

在本实施例中，存储器控制电路110用以对存储器晶胞122进行形成程序。在此过程中，存储器晶胞122两端的电极持续被施加偏压v1(即形成电压)，以对介电层230产生一个外加电场。在本实施例中，在上电极210施加其值为v1伏特的正电压，在下电极220施加0伏特的电压。此外加电场会将氧原子222分离成氧离子212及氧空缺232。氧空缺232在介电层230中形成灯丝，作为电流传递路径。当外加电场超过临界值时，介电层230会产生介电崩溃现象，从而由高阻态转变为低阻态。此种崩溃并非永久，其阻值仍可改变。

经形成程序的存储器晶胞122具有低阻态。在重置操作时，存储器晶胞122的上电极210被施加0伏特的电压，下电极220被施加其值为v2伏特的正电压。此电压差值是重置电压，例如-v2伏特。经重置操作的存储器晶胞122其状态由低阻态转变为高阻态。接着，在设定操作时，存储器晶胞122的上电极210被施加其值为v3伏特的正电压，下电极220被施加0伏特的电压。此电压差值是设定电压，例如+v3伏特。经设定操作的存储器晶胞122其状态由高阻态转变为低阻态。在本实施例中，重置电压及设定电压的大小及极性仅用以例示说明，不用以限定本发明。在本实施例中，图2所显示的形成程序、重置操作及设定操作仅用以例示说明，不用以限定本发明。

图3显示本发明一实施例的电阻式存储器元件的操作方法。请参考图1至图3，在步骤s100中，本实施例的存储器控制电路110对电阻式存储器元件120执行形成程序以及初始重置程序。之后，在步骤s110中，存储器控制电路110对电阻式存储器元件120执行设定及重置循环操作，以增加电阻式存储器元件120的读取边界。也就是，相较于未执行步骤s110的电阻式存储器元件120的读取边界，执行步骤s110后的电阻式存储器元件120的读取边界较大。在步骤s120中，存储器控制电路110判断电阻式存储器元件120是否通过读取边界验证。读取边界验证包括设定第一电流阈值与小于第一电流阈值的第二电流阈值，以及比较流经电阻式存储器元件120的电流与第一电流阈值及第二电流阈值。当电阻式存储器元件120的电流大于第一电流阈值或小于第二电流阈值时，判断电阻式存储器元件120通过读取边界验证。当电阻式存储器元件120的电流介于第一电流阈值与第二电流阈值之间时，判断电阻式存储器元件120未通过读取边界验证。

若电阻式存储器元件120未通过读取边界验证，存储器控制电路110再次执行步骤s110，以重复对电阻式存储器元件120执行设定及重置循环操作的步骤，直到电阻式存储器元件120通过读取边界验证。在一实施例中，存储器控制电路110也可设定一预设次数，以重复对电阻式存储器元件120执行步骤s110直到达到此预设次数为止。另一方面，若电阻式存储器元件120通过读取边界验证，存储器控制电路110结束步骤s110的设定及重置循环操作。

在本实施例中，设定及重置循环操作包括至少一次设定操作以及至少一次重置操作，其实施方式可以由所属技术领域的通常知识获致足够的教示、建议与实施说明。

图4显示本发明另一实施例的电阻式存储器元件的操作方法。请参考图1、图2及图4，在步骤s200中，本实施例的存储器控制电路110对电阻式存储器元件120执行加热步骤。在步骤s210中，存储器控制电路110对电阻式存储器元件120执行设定及重置循环操作，以增加电阻式存储器元件120的读取边界。也就是，相较于未执行步骤s210的电阻式存储器元件120的读取边界，执行步骤s210后的电阻式存储器元件120的读取边界较大。在本实施例中，设定及重置循环操作包括至少一次重置操作以及至少一次设定操作，其实施方式可以由所属技术领域的通常知识或者图2所揭示的内容获致足够的教示、建议与实施说明。在本实施例中，步骤s210的设定及重置循环操作在步骤s200的加热步骤后执行。

在步骤s220中，存储器控制电路110判断电阻式存储器元件120是否通过读取边界验证。若电阻式存储器元件120不通过读取边界验证，存储器控制电路110再次执行步骤s210，以重复对电阻式存储器元件120执行设定及重置循环操作，直到电阻式存储器元件120通过读取边界验证。在一实施例中，存储器控制电路110也可设定一预设次数，以重复对电阻式存储器元件120执行步骤s210直到达到此预设次数为止。另一方面，若电阻式存储器元件120通过读取边界验证，存储器控制电路110结束步骤s210的设定及重置循环操作操作。

在一实施例中，步骤s200的加热步骤可能在存储器控制电路110对电阻式存储器元件120执行形成程序时产生。或者，在一实施例中，步骤s200的加热步骤可能在将电阻式存储器元件120安装于电路板上时所产生。在此实施例中，安装步骤包括加热步骤，并且设定及重置循环操作用以程序化及抹除电阻式存储器元件120。

图5显示本发明另一实施例的电阻式存储器元件的操作方法。请参考图1、图2及图5，在步骤s300中，本实施例的存储器控制电路110对电阻式存储器元件120执行刷新操作。在步骤s310中，存储器控制电路110依据电阻式存储器元件120是否经过一加热步骤，来决定是否对电阻式存储器元件120执行程序化及抹除循环操作，以增加电阻式存储器元件120的读取边界。也就是，相较于未执行程序化及抹除循环操作的电阻式存储器元件120的读取边界，执行程序化及抹除循环操作后的电阻式存储器元件120的读取边界较大。在本实施例中，程序化及抹除循环操作以及刷新操作的实施方式可以由所属技术领域的通常知识获致足够的教示、建议与实施说明。

在一实施例中，图2的电阻式存储器元件120例如包括温度感测器，用以检测温度，且当存储器控制电路110判断所测得的温度大于一预定值，则判断电阻式存储器元件120经过加热步骤。

在一实施例中，图2的电阻式存储器元件120例如包括不同的晶胞阵列，分别用以检测温度以及存储数据。举例而言，电阻式存储器元件120例如包括用以检测温度的第一晶胞阵列，以及用以存储数据的第二晶胞阵列。在一实施例中，第一晶胞阵列的晶胞数量小于第二晶胞阵列的晶胞。

图6显示本发明另一实施例的电阻式存储器元件的操作方法。在本实施例中，电阻式存储器元件120还包括用以检测温度的第一晶胞阵列以及用以存储数据的第二晶胞阵列。请参考图1、图2及图6，在步骤s400中，本实施例的存储器控制电路110对第一晶胞阵列施加弱设定(weakset)电压，使第一晶胞阵列的多个存储器晶胞从第一电阻状态(例如高阻态)转变为第二电阻状态(例如低阻态)。接着，对电阻式存储器元件120执行上电操作(powerupoperation)。在本实施例中，弱设定电压的电压值小于正常设定电压的电压值，例如小于图2的电压值v3。根据弱设定电压所写入的数据容易受到高温的影响而发生位元反转，例如从第二电阻状态(例如低阻态)转变为第一电阻状态(例如高阻态)。接着，在步骤s410中，存储器控制电路110判断电阻式存储器元件120是否经过一加热步骤。若电阻式存储器元件120没有经过加热步骤，存储器控制电路110结束电阻式存储器元件120的操作方法。

若判断电阻式存储器元件120经过加热步骤，存储器控制电路110对电阻式存储器元件120执行刷新操作(步骤s420)。接着，在步骤s430中，存储器控制电路110对电阻式存储器元件120执行程序化及抹除循环操作，以增加电阻式存储器元件120的读取边界。

在步骤s440中，本实施例的存储器控制电路110判断电阻式存储器元件120是否通过读取边界验证。若电阻式存储器元件120不通过读取边界验证，存储器控制电路110再次执行步骤s430，以重复对电阻式存储器元件120执行程序化及抹除循环操作，直到电阻式存储器元件120通过读取边界验证。在一实施例中，存储器控制电路110也可设定一预设次数，以重复对电阻式存储器元件120执行步骤s430直到达到此预设次数为止。另一方面，若电阻式存储器元件120通过读取边界验证，存储器控制电路110执行步骤s450。

在步骤s450中，本实施例的存储器控制电路110再次对第一晶胞阵列施加弱设定电压，以使第一晶胞阵列的多个存储器晶胞从第一电阻状态(例如高阻态)转变为第二电阻状态(例如低阻态)，从而使得第一晶胞阵列再次具备温度检测功能。接着，存储器控制电路110结束电阻式存储器元件120的操作方法。

图7显示本发明一实施例的判断电阻式存储器元件是否经过加热步骤的方法流程图。请参考图6及图7，在本实施例中，步骤s410例如包括步骤s412、s414及s416。在步骤s412中，存储器控制电路110判断第一晶胞阵列中的存储器晶胞从第二电阻状态转变为第一电阻状态的数量是否大于一临界值。若存储器晶胞从第二电阻状态转变为第一电阻状态的数量大于临界值，在步骤s414中，存储器控制电路110判断电阻式存储器元件120经过加热步骤。若存储器晶胞从第二电阻状态转变为第一电阻状态的数量小于或等于临界值，在步骤s416中，存储器控制电路110判断电阻式存储器元件120没有经过加热步骤。

综上所述，在本发明的示范实施例中，在电阻式存储器元件经过加热步骤之后，其操作方法包括设定及重置循环操作或者程序化及抹除循环操作步骤，以增加电阻式存储器元件的读取边界。在一示范实施例中，电阻式存储器元件具备温度检测功能，存储器控制电路可据此决定是否对电阻式存储器元件执行程序化及抹除循环操作，以增加电阻式存储器元件的读取边界。

虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更改与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求书所界定的为准。