专利名称：一种阻变存储器单元的编程或擦除方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及微电子领域，尤其涉及一种阻变存储器单元的编程或擦除方法及装置。
背景技术：
随着现代信息技术的飞速发展，传统的Flash存储器已经不能满足人们对大容量、低功耗存储的需求。阻变存储器单元(RRAM)由于具有结构简单、功耗低、密度高、操作速度快、与CMOS工艺兼容和易于3D集成等优点而受到广泛的关注，是最有前途的下一代非挥发存储器之一。尽管如此，图I所示的阻变存储器单元的阻变参数(如\et、VEeset电压) 的离散分布却是其走向实用化的一个瓶颈。为了改善阻变存储器单元阻变参数的离散分布，人们提出了各种各样的解决方法，如选择合适的电极材料、对阻变材料层进行掺杂改性
坐寸ο图2示出了在理想情况下具有双极转换特性的阻变存储器单元的I-V特性曲线示意图。如图2所示，线201、202、203表示电阻由高阻态转变为低阻态的I-V曲线，当电压从O开始向正方向逐渐增大到Vsrt时，电流急剧增大，表明存储器电阻由高阻态转变为低阻态，称为置位SET (编程)操作；线204至206表示电阻由低阻态转变为高阻态的I-V曲线， 当电压从O开始由负方向逐渐增大到Vltesrt时，电流迅速减小，存储器电阻由低阻态转变为高阻态，称为复位RESET(擦除)操作。由图2可以看出，在外加偏压的作用下，阻变存储器单元的电阻会在高低阻态之间发生转换从而实现“O”和“ I”的存储。阻变存储器单元常规的编程(置位)和擦除(复位)操作方法如图3所示对于一个初始态阻变存储器单元，大多数都处于高阻态(HRS)，初始的单元并不具有阻变转换特性，需要加一个与置位电压(VSet)同向且高于VSet的电压来激活其转变特性，这个过程称为激活过程301 (Forming)。激活后的单元处于低阻态(LRS)。在操作302中，外加一个幅值度很小(小于Vsrt和Vltesrt的绝对值)的脉冲，来读取此时单元的存储状态。复位操作303 时，外加反向偏压的脉冲，脉冲的高度为Vltesrt，阻变存储器单元由低阻态(LRS)转变为高阻态(HRS),复位操作成功。此后可以进行一个读操作304来验证。置位操作305时,外加正向偏压的脉冲，脉冲的高度为Vsrt，阻变存储器单元由高阻态(HRS)转变为低阻态(LRS)，置位操作成功。此后也可以进行一个读操作306来验证。由于编程电压(Vsrt)和擦除电压(VltesJ是很不稳定的，有着很离散的分布，如图 I所示，在上述常规的阻变存储器单元的编程和擦除的操作方法中，编程和擦除时脉冲高度的选择将是一件非常困难的事。电压脉冲高度选择过小时，则达不到有些存储器单元的 Vsrt(或VltesJ电压，电阻不会发生从高(低)阻态到低(高)阻态的转变，编程(或擦除) 操作失败；当电压脉冲高度选择的过大时，会增加阻变存储器单元外围电路的制造成本，而且特别是在RESET的过程中还会引起RESET同SET过程的竞争-RESET过后器件又从高阻态SET回低阻态，导致阻变存储器单元的不稳定。这些对存储器的编程和擦除操作是非常不利的。因此，改善阻变储存器的阻变参数的离散分布，对其走向实用化是非常重要的。
发明内容
为了解决上述的技术问题，提供了一种阻变存储器单元的编程或擦除方法及装置，其目的在于，改善阻变存储器单元的阻变参数分布。本发明提供了一种阻变存储器单元的编程或擦除装置，包括阻变存储器单元502 和晶体管501，还包括串联电阻503，信号发生器，电流检测装置和控制装置；信号发生器，用于向所述阻变存储器单元502输入连续的阶梯式脉冲电压信号；电流检测装置，用于检测所述串联电阻503上的电流；控制装置，用于判断串联电阻503上电流的检测值是否符合预设条件，在检测值符合预设条件时，控制信号发生器终止信号输出，完成阻变存储器单元的编程或擦除操作； 在进行编程操作时，所述预设条件为检测值大于预设值；在进行擦除操作时，所述预设条件为检测值小于预设值。在进行编程操作时，所述信号发生器向所述阻变存储器单元502输入正向连续的阶梯式脉冲电压信号；在进行擦除操作时，所述信号发生器向所述阻变存储器单元502输入负向连续的阶梯式脉冲电压信号。正向连续的阶梯式脉冲电压信号的初始值为0V-3V ;负向连续的阶梯式脉冲电压信号的初始值为0V-3V。正向连续的阶梯式脉冲电压信号的最大值为1V-6V ;负向连续的阶梯式脉冲电压信号的最大值为1V-6V。连续的阶梯式脉冲电压信号的脉冲宽度相同，并以恒定的幅度逐渐增加，该幅度的范围为O. I V-ο. 5V。所述串联电阻503连接在所述阻变存储器单元502的上电极与所述信号发生器之间，所述阻变存储器单元502的下电极连接所述晶体管501的漏极。本发明提供了一种阻变存储器单元的编程方法，包括步骤1，对阻变存储器单元502施加正向连续的阶梯式脉冲电压信号；步骤2，检测串联电阻503上的电流；步骤3，判断串联电阻503上电流的检测值是否符合预设条件，在检测值符合预设条件时，控制信号发生器终止信号输出，完成阻变存储器单元的编程操作。串联电阻503连接在阻变存储器单元502的上电极与信号发生器之间，阻变存储器单元502的下电极连接晶体管501的漏极。所述预设条件为检测值大于预设值。正向连续的阶梯式脉冲电压信号的初始值为0V-3V ;正向连续的阶梯式脉冲电压信号的最大值为1V-6V。正向连续的阶梯式脉冲电压信号的脉冲宽度相同，并以恒定的幅度逐渐增加，该幅度的范围为O. I V-ο. 5V。本发明提供了一种阻变存储器单元的擦除方法，包括步骤10，对阻变存储器单元502施加负向连续的阶梯式脉冲电压信号；步骤20，检测串联电阻503上的电流；步骤30，判断串联电阻503上电流的检测值是否符合预设条件，在检测值符合预设条件时，控制信号发生器终止信号输出，完成阻变存储器单元的擦除操作。串联电阻503连接在阻变存储器单元502的上电极与信号发生器之间，阻变存储器单元502的下电极连接晶体管501的漏极。负向连续的阶梯式脉冲电压信号的初始值为0V-3V ;负向连续的阶梯式脉冲电压信号的最大值为1V-6V。负向连续的阶梯式脉冲电压信号的脉冲宽度相同，并以恒定的幅度逐渐增加，该幅度的范围为O. I V-ο. 5V。本发明能够显著改善阻变存储器单元的阻变参数的离散分布，并且能提高器件的耐久性endurance，延长其使用寿命，并且本发明的技术方案简单、直观，而且速度较快，具有一定实用性的潜能。
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I为阻变存储器单元的编程电压Vsrt和擦除电压Vltesrt的累积分布的示意2为在理想情况下具有双极转换特性的阻变存储器单元的I-V特性曲线示意
3为阻变存储器单元常规的编程和擦除操作方法的示意4为本发明中阶梯状的连续编程(或擦除)电压脉冲信号示意5为本发明中单个阻变存储器单元的编程和擦除装置示意6为本发明中单个阻变存储器单元的编程(或擦除)操作方法的流程图。
具体实施例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。本发明提供了一种阻变存储器单元的编程和擦除的操作方法，通过在阻变存储单元上施加阶梯式电压脉冲，并实时监测阻变存储器单元上的电流来观测其电阻的转变状态，从而完成阻变单元的编程和擦除操作。这种方法能够显著改善阻变存储器单元阻变参数的离散分布。如图5所示，本发明提供了单个阻变存储器单元的编程和擦除装置示意图。电阻 503和阻变存储器单元502的上电极相连，阻变存储器单元502的下电极和晶体管501的漏极相连，构成了 ITlR结构，晶体管起着限流作用。脉冲发生器(PG2) 504起着输入信号源的作用，它能够按设计要求输入如图4所示的编程(或擦除)的电压脉冲信号。示波器 505用来监测流过串联电阻503的电流，从而实时测量阻变存储器单元502中的电流，并将测得的电流大小输入到半导体参数测试仪506中。半导体参数测试仪506同时起到比较电流和控制脉冲发生器504工作状态的作用，即从示波器505输入进的电流与半导体参数测试仪506中预设定的参考值进行比较，并把比较的结果用来控制脉冲发生器504是否继续输出脉冲信号。图5中，半导体参数测试仪506可以为Keithley 4200,HP 4155A，Agilent 4156C 等。阶梯状的连续脉冲编程电压的初始高度由阻变存储器单元的最小SET操作电压决定，取OV 3V ;最大的脉冲幅值由阻变存储器单元的最大SET操作电压决定，取IV 6V ；脉冲的宽度相同而脉冲的高度逐渐增加，并且每次增加的幅度相同，取O. IV O. 5V。进一步，所述的阶梯状的连续脉冲擦除电压的初始高度由阻变存储器单元的最小 RESET操作电压决定，取OV 3V ;最大的脉冲幅值由阻变存储器单元的最大RESET操作电压决定，取IV 6V ;脉冲的宽度相同而脉冲的高度逐渐增加，并且每次增加的幅度相同，取
O.IV O. 5V。以上所提及的电压都是取绝对值后的电压值。请参照图6，其示出了依照本发明较佳实施例的单个阻变存储器单元的编程(或擦除)操作方法的流程图，具体包括。下面仅以编程操作方法为例来说明其具体的过程步骤601，对阻变存储器单元进行一个读操作，获取其初始的存储数据状态，来判断该单元是否需要进行编程操作；步骤602，若该单元初始就处于低阻态，则不需要进行编程操作，直接跳到步骤 606 ;否则，该单元初始就处于高阻态，需要进行编程操作，进入下一步骤603 ；步骤603，由脉冲发生器PG2产生如图4所示的阶梯状的连续脉冲电压，脉冲电压的初始高度由阻变存储器单元的最小置位操作电压决定；最大的脉冲幅值由阻变存储器单元的最大置位操作电压决定；脉冲的宽度相同而脉冲的高度逐渐增加，并且每次增加的幅度相冋；步骤604，测量串联电阻上的电流，通过在示波器上观测串联电阻中电流的变化， 来实时监测阻变存储器单元中的电阻变化状态；步骤605，当在示波器上观测到串联电阻中电流增加时，并且此时的电流值大于半导体参数测试仪中的预设定的参考值时，说明阻变存储器单元由高阻态(HRS)转变为低阻态(LRS)，编程操作成功，此时由半导体参数测试仪终止脉冲发生器工作，输入的脉冲信号停止；若串联电阻上的电流值未大于半导体参数测试仪中的预设定的参考值时，说明此时阻变存储器单元仍处在高阻态(HRS)，没有发生置位过程，进入步骤607，否则进入步骤 606 ；步骤606，编程操作成功，停止输入脉冲信号；步骤607，判断此时输入的脉冲高度是否超过最大脉冲幅度。若没有超过最大脉冲幅度，转到步骤604，直至编程操作成功为止；若超过最大脉冲幅度，进入步骤608 ；步骤608，编程操作失败终止脉冲发生器的工作。图6中也示出了阻变存储器单元的擦除操作流程，其与阻变存储器单元的编程操作基本类似，这里就不再赘述。本领域的技术人员在不脱离权利要求书确定的本发明的精神和范围的条件下，还可以对以上内容进行各种各样的修改。因此本发明的范围并不仅限于以上的说明，而是由权利要求书的范围来确定的。
权利要求
1.一种阻变存储器单元的编程或擦除装置，包括阻变存储器单元(502)和晶体管 (501)，其特征在于，还包括串联电阻(503)，信号发生器，电流检测装置和控制装置；串联电阻(503)与所述阻变存储器单元(502)串联；信号发生器，用于向所述阻变存储器单元(502)输入连续的阶梯式脉冲电压信号；电流检测装置，用于检测所述串联电阻(503 )上的电流；控制装置，用于判断串联电阻(503)上电流的检测值是否符合预设条件，在检测值符合预设条件时，控制信号发生器终止信号输出，完成阻变存储器单元的编程或擦除操作；在进行编程操作时，所述预设条件为检测值大于预设值；在进行擦除操作时，所述预设条件为检测值小于预设值。
2.如权利要求I所述的阻变存储器单元的编程或擦除装置，其特征在于，在进行编程操作时，所述信号发生器向所述阻变存储器单元(502)输入正向连续的阶梯式脉冲电压信号；在进行擦除操作时，所述信号发生器向所述阻变存储器单元(502)输入负向连续的阶梯式脉冲电压信号。
3.如权利要求2所述的阻变存储器单元的编程或擦除装置，其特征在于，正向连续的阶梯式脉冲电压信号的初始值为0V-3V ;负向连续的阶梯式脉冲电压信号的初始值为 0V-3V。
4.如权利要求3所述的阻变存储器单元的编程或擦除装置，其特征在于，正向连续的阶梯式脉冲电压信号的最大值为1V-6V;负向连续的阶梯式脉冲电压信号的最大值为 1V-6V。
5.如权利要求1-4任意一项所述的阻变存储器单元的编程或擦除装置，其特征在于， 连续的阶梯式脉冲电压信号的脉冲宽度相同，并以恒定的幅度逐渐增加，该幅度的取值范围为 O. 1V-0. 5V。
6.如权利要求1-4任意一项所述的阻变存储器单元的编程或擦除装置，其特征在于， 所述串联电阻(503)连接在所述阻变存储器单元(502)的上电极与所述信号发生器之间， 所述阻变存储器单元(502)的下电极连接所述晶体管(501)的漏极。
7.一种阻变存储器单元的编程方法，其特征在于，包括步骤1，对阻变存储器单元(502)施加正向连续的阶梯式脉冲电压信号；步骤2，检测串联电阻(503 )上的电流；步骤3，判断串联电阻(503)上电流的检测值是否符合预设条件，在检测值符合预设条件时，控制信号发生器终止信号输出，完成阻变存储器单元的编程操作。
8.如权利要求7所述的阻变存储器单元的编程方法，其特征在于，串联电阻(503)连接在阻变存储器单元(502)的上电极与信号发生器之间，阻变存储器单元(502)的下电极连接晶体管(501)的漏极。
9.如权利要求7或8所述的阻变存储器单元的编程方法，其特征在于，所述预设条件为检测值大于预设值。
10.如权利要求7或8所述的阻变存储器单元的编程方法，其特征在于，正向连续的阶梯式脉冲电压信号的初始值为0V-3V ;正向连续的阶梯式脉冲电压信号的最大值为1V-6V。
11.如权利要求7或8所述的阻变存储器单元的编程方法，其特征在于，正向连续的阶梯式脉冲电压信号的脉冲宽度相同，并以恒定的幅度逐渐增加，该幅度的取值范围为O. 1V-0. 5V。
12.—种阻变存储器单元的擦除方法，其特征在于，包括步骤10，对阻变存储器单元(502)施加负向连续的阶梯式脉冲电压信号；步骤20，检测串联电阻(503 )上的电流；步骤30，判断串联电阻(503)上电流的检测值是否符合预设条件，在检测值符合预设条件时，控制信号发生器终止信号输出，完成阻变存储器单元的擦除操作。
13.如权利要求12所述的阻变存储器单元的擦除方法，其特征在于，串联电阻(503)连接在阻变存储器单元(502)的上电极与信号发生器之间，阻变存储器单元(502)的下电极连接晶体管(501)的漏极。
14.如权利要求12或13所述的阻变存储器单元的擦除方法，其特征在于，负向连续的阶梯式脉冲电压信号的初始值为0V-3V ;负向连续的阶梯式脉冲电压信号的最大值为 1V-6V。
15.如权利要求12或13所述的阻变存储器单元的擦除方法，其特征在于，负向连续的阶梯式脉冲电压信号的脉冲宽度相同，并以恒定的幅度逐渐增加，该幅度的取值范围为 O. 1V-0. 5V。
全文摘要
本发明涉及一种阻变存储器单元的编程或擦除方法及装置，该装置包括阻变存储器单元(502)和晶体管(501)，串联电阻(503)，信号发生器，电流检测装置和控制装置；串联电阻(503)与阻变存储器单元(502)串联；信号发生器，用于向阻变存储器单元(502)输入连续的阶梯式脉冲电压信号；电流检测装置，用于检测串联电阻(503)上的电流；控制装置，用于判断串联电阻(503)上电流的检测值是否符合预设条件，在检测值符合预设条件时，控制信号发生器终止信号输出，完成阻变存储器单元的编程或擦除操作。本发明能够显著改善阻变存储器单元的阻变参数的离散分布，并且能提高器件的耐久性，延长其使用寿命。
文档编号G11C16/14GK102610272SQ201110021108
公开日2012年7月25日 申请日期2011年1月19日 优先权日2011年1月19日
发明者刘明, 刘琦, 吕杭炳, 王明, 龙世兵 申请人:中国科学院微电子研究所