电阻式随机存取存储单元的工作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种工作方法，且特别涉及一种电阻式随机存取存储单元的工作方法。
【背景技术】
[0002]非易失性存储器具有存入的数据在断电后也不会消失的优点，因此是许多电子产品维持正常操作所必备的存储元件。目前，电阻式随机存取存储器(resistive randomaccess memory, RRAM)是业界积极发展的一种非易失性存储器,其具有写入操作电压低、写入抹除时间短、存储时间长、非破坏性读取、多状态存储、结构简单以及所需面积小等优点，在未来个人电脑和电子设备上极具应用潜力。
[0003]然而，电阻式随机存取存储器仍有许多挑战亟待克服，例如可变阻抗元件中的丝状导电路径(filament path)可能受高温的影响而窄化或消失，进而影响位元的写入。因此，如何降低高温对可变阻抗元件中的丝状导电路径的影响则是设计电阻式随机存取存储器的一个重要课题。
【发明内容】
[0004]本发明提供一种电阻式随机存取存储单元的工作方法，可使可变阻抗元件中移动的离子具有更长的移动时间，以降低移动的离子停留在主动层的比例，进而降低流失的离子因高温活化而跳回到丝状导电路径的可能。因此，可降低高温对可变阻抗元件中的丝状导电路径的影响。
[0005]本发明的电阻式随机存取存储单元的工作方法，其中电阻式随机存取存储单元包括串接的一可变阻抗元件及一开关元件。工作方法包括下列步骤。当开关元件导通时，提供一写入信号至可变阻抗元件以设定可变阻抗元件的阻抗值。在一第一期间，设定写入信号为一第一写入电压以传送一第一电能至可变阻抗元件。在一第二期间，通过写入信号传送一第二电能至可变阻抗元件，其中第二期间的位于第一期间之后，第一电能及第二电能大于零，且第二电能小于第一电能。
[0006]基于上述，本发明实施例的电阻式随机存取存储单元的工作方法，在写入电压的期间后，写入信号仍传送能量至可变阻抗元件，以维持可变阻抗元件的热化学效应，进而延长可变阻抗元件中的氧离子的移动时间。因此，移动的氧离子会远离可变阻抗元件中的丝状导电路径，因此可降低高温对可变阻抗元件中的丝状导电路径的影响。
[0007]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，并配合说明书附图作详细说明如下。
【附图说明】
[0008]图1为依据本发明一实施例的电阻式随机存取存储单元的电路示意图。
[0009]图2为依据本发明的第一实施例的写入信号的驱动波形示意图。
[0010]图3为依据本发明的第二实施例的写入信号的驱动波形示意图。
[0011]图4A及图4B分别为依据本发明的一实施例的写入信号的写入效果示意图。
[0012]图5为依据本发明的第三实施例的写入信号的驱动波形示意图。
[0013]图6为依据本发明的第四实施例的写入信号的驱动波形示意图。
[0014]图7为依据本发明的第五实施例的写入信号的驱动波形示意图。
[0015]附图标记说明:
[0016]100:电阻式随机存取存储单元
[0017]411 ?412、421 ?426:坐标点
[0018]El:第一电极
[0019]E2:第二电极
[0020]FPl:丝状导电路径
[0021]GND:接地电压
[0022]Id:漏极电流
[0023]INO:氧离子
[0024]LMl ?LM3、LM51 ?LM54:维持电压
[0025]Lffl ?LW4、Lff51 ?LW54:写入电压
[0026]Ml:晶体管
[0027]P21 ?P22、P31 ?P32、P51 ?P58、P61 ?P63、P71 ?P73:期间
[0028]SETl?SET4:写入组合
[0029]SMl:切换媒介
[0030]VD:漏极电压
[0031]VG:栅极控制电压
[0032]VRE:可变阻抗元件
[0033]WRa?WRe:写入信号
【具体实施方式】
[0034]图1为依据本发明一实施例的电阻式随机存取存储单元的电路示意图。请参照图1，在本实施例中，电阻式随机存取存储单元100例如包括可变阻抗元件VRE及晶体管Ml (亦即开关元件)，其中可变阻抗元件VRE可以是电压控制切换元件或电流控制切换元件。其中可变阻抗元件VRE耦接于漏极电压VD及晶体管Ml的漏极之间，亦即可变阻抗元件VRE串接晶体管M1，晶体管的栅极接收一栅极控制电压VG，晶体管的源极接收一接地电压GND。并且,可变阻抗元件VRE具有第一电极E1、切换媒介(switching medium) SMl及第二电极E2，其中第一电极El的材质例如是钛(Ti)，切换媒介SMl的材质例如是氧化铪(Hf02)，第一电极El的材质例如是氮化钛(TiN)。
[0035]当设定可变阻抗元件VRE时，栅极控制电压VG会提供至晶体管Ml的栅极以导通晶体管M1，而正极性的漏极电压VD(亦即写入信号WR)会提供至可变阻抗元件VRE，以使切换媒介SMl中的氧离子INO会受漏极电压VD的影响移动至第一电极El。此时，切换媒介SMl中会形成氧空缺(oxygen vacancies)以形成丝状导电路径FPl,进而产生漏极电流Id,且漏极电流Id会流经切换媒介SMl所构成的丝状导电路径FPl。由于丝状导电路径FPl的产生，切换媒介SMl的阻抗值会大幅降低，亦即切换媒介SMl会为低阻抗状态，代表逻辑电平 “I”。
[0036]另一方面，当重置可变阻抗元件VRE时，栅极控制电压VG同样会提供至晶体管Ml的栅极以导通晶体管M1，但是会提供负极性的漏极电压VD至可变阻抗元件VRE，以使第一电极El中的氧离子INO会受漏极电压VD及漏极电流Id的影响移回至切换媒介SM1。此时，切换媒介SMl中的氧空缺会消失，因此丝状导电路径FPl会消失。由于丝状导电路径FPl的消失，切换媒介SMl的阻抗值会大幅提高，亦即切换媒介SMl会为高阻抗状态，代表逻辑电平“O”。
[0037]此外，当可变阻抗元件VRE为电压控制切换元件，则栅极控制电压VG可高于漏极电压VD。当可变阻抗元件VRE为电流控制切换元件时，则栅极控制电压VG可低于漏极电压VD0
[0038]图2为依据本发明的第一实施例的写入信号的驱动波形示意图。请参照图1及图2，其中相同或相似元件使用相同或相似标号。在本实施例中，写入信号WRa用以设定可变阻抗元件VRE。亦即当晶体管Ml导通时，提供写入信号WRa至可变阻抗元件VRE以设定可变阻抗元件VRE的阻抗值。
[0039]在期间P21 (对应第一期间)中，设定写入信号WRa为写入电压LWl (对应第一写入电压)，以引发切换媒介SMl中的氧离子INO开始移动，进而于可变阻抗元件VRE中形成丝状导电路径FP1。接着，在期间P22(对应第二期间)中，设定写入信号WRa由写入电压Lffl递减至接地电压(即电压O)，以延长切换媒介SMl中的氧离子INO的移动时间，增加丝状导电路径的形成，其中写入信号WRa由写入电压LWl递减至接地电压的递减期间假设为等于期间P22。
[0040]换言之，在期间P21中，会设定写入信号WRa为写入电压LWl以传送较大的第一电能(对应于写入电压LWl与期间P21的时间长度的乘积)至可变阻抗元件VRE，以触发切换媒介SMl形成丝状导电路径FP1。并且，在接续于期间P2