一種阻變存儲器存儲單元的多值操作方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種阻變存儲器存儲單元的多值操作方法，通過綜合調(diào)節(jié)存儲單元的編程限制電流和擦除截止電壓以實現(xiàn)多值存儲。其中，通過對存儲單元施加擦除電壓和編程限制電流以實現(xiàn)存儲單元的較低阻值狀態(tài)，其中編程限制電流數(shù)值越大，存儲單元阻值越小；通過對存儲單元施加擦除截止電壓和編程電壓以實現(xiàn)存儲單元的較高阻值狀態(tài)，其中，擦除截止電壓絕對值越大，存儲單元阻值越大。本發(fā)明的方法具有存儲窗口大、簡單易行、誤讀率小、功耗小等優(yōu)點。
【專利說明】—種阻變存儲器存儲單元的多值操作方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及非揮發(fā)存儲器技術(shù)，尤其涉及到一種阻變存儲器存儲單元的多值操作方法。

【背景技術(shù)】
[0002]阻變存儲器(Resistive Random Access Memory, RRAM)是一種近十年來飛速發(fā)展的非揮發(fā)性存儲器，具有非常廣泛的市場需求。該類存儲器的器件單元通常為MM(金屬-絕緣層-金屬)結(jié)構(gòu)，其制造方法簡單，與CMOS工藝高度兼容，數(shù)據(jù)存儲容量大密度高，操作速度快且可靠性高，是公認(rèn)的未來可以取代傳統(tǒng)機械硬盤、快閃型存儲器的非揮發(fā)存儲器之一。
[0003]近年來，國內(nèi)外對RRAM的研究報道和測試芯片產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，業(yè)界和學(xué)術(shù)界都對RRAM的性能提出了更高的要求，其中存儲容量和密度的進(jìn)一步提升成為諸多要求之一。在眾多提升存儲器容量和密度的方法中，多值(多位，multibit)存儲，即在一個存儲單元中記錄兩位甚至更多位的信息，是最直接的令存儲器容量密度翻倍的解決方案，因此得到了廣泛的關(guān)注。
[0004]目前，RRAM的多值存儲的操作實現(xiàn)方法分為兩大類:(I)調(diào)節(jié)存儲單元set編程時的限制電流(current compliance, CC), CC越大，貝U在存儲單元中形成的導(dǎo)電細(xì)絲(filament)越粗越多，得到的存儲單元的電阻值越小，因此形成多位存儲。(2)調(diào)節(jié)存儲單元在reset擦除時的截止電壓(stop voltage, Vstop), Vstop越大,則越多已經(jīng)在存儲單元形成的導(dǎo)電細(xì)絲會被打斷，單元的電阻隨即會被擦除到越高的值，因此形成多位存儲。
[0005]上述兩種多值存儲的操作方法分別利用阻變存儲器set和reset單一一側(cè)的電學(xué)性質(zhì)進(jìn)行調(diào)控，在實際應(yīng)用中可能存在一些問題。圖1是一個典型的分別通過CC和Vstop調(diào)節(jié)得到的電阻值結(jié)果，方框和圓圈分別代表不同CC和Vstop調(diào)節(jié)得到的電阻值?？梢钥闯?，兩種調(diào)節(jié)方法得到的電阻值窗口分布都很不均勻，為數(shù)據(jù)的操作帶來一定難度；而且一些相鄰電阻值之間的窗口甚至小于一個數(shù)量級，這在實際應(yīng)用中很容易引起數(shù)據(jù)的誤讀，因此需要一種新的操作方法來改善這些問題，實現(xiàn)高性能的多值存儲功能。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決相關(guān)技術(shù)中的技術(shù)問題之一。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出一種阻變存儲器存儲單元的多值操作方法，通過綜合調(diào)節(jié)存儲單元的編程限制電流和擦除截止電壓以實現(xiàn)多值存儲，其中，通過對存儲單元施加擦除電壓和編程限制電流以實現(xiàn)存儲單元的較低阻值狀態(tài)，其中編程限制電流數(shù)值越大，存儲單元阻值越小，以及通過對存儲單元施加擦除截止電壓和編程電壓以實現(xiàn)存儲單元的較高阻值狀態(tài)，其中，擦除截止電壓絕對值越大，存儲單元阻值越大。
[0008]根據(jù)本發(fā)明實施例的阻變存儲器存儲單元的多值操作方法對現(xiàn)有技術(shù)有很大的改進(jìn)，具有很多優(yōu)點:綜合調(diào)節(jié)編程限制電流和擦除截止電壓，方法簡單易行；得到的多個電阻狀態(tài)之間差值大，即存儲窗口大，從而讀取窗口大，誤讀率小；同時又考慮了盡可能的減小操作電壓和電流，功耗小。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1是現(xiàn)有的通過調(diào)節(jié)限制電流和截止電壓來實現(xiàn)RRAM存儲單元多值存儲的電學(xué)性能的示意圖。
[0010]圖2是調(diào)節(jié)限制電流時存儲單元的電學(xué)性能的示意圖。
[0011]圖3是本發(fā)明中選取合適的限制電流實現(xiàn)其中兩種信息狀態(tài)的操作方法示意圖。
[0012]圖4是調(diào)節(jié)截止電壓時存儲單元的電學(xué)性能的示意圖。
[0013]圖5是本發(fā)明中選取合適的截止電壓實現(xiàn)其中另兩種信息狀態(tài)的操作方法示意圖。
[0014]圖6是本發(fā)明提出的綜合調(diào)節(jié)限制電流和截止電壓的操作方法原理示意圖。
[0015]圖7是本發(fā)明的存儲信息狀態(tài)之間相互切換的操作方法示意圖。
[0016]圖8是本發(fā)明的操作方法與單一調(diào)節(jié)限制電流或截止電壓的方法之間的對比示意圖。

【具體實施方式】
[0017]本發(fā)明提出了一種阻變存儲器存儲單元的多值操作方法，通過綜合調(diào)節(jié)存儲單元的編程限制電流和擦除截止電壓以實現(xiàn)多值存儲，其中，通過對存儲單元施加擦除電壓和編程限制電流以實現(xiàn)存儲單元的較低阻值狀態(tài)，其中編程限制電流數(shù)值越大，存儲單元阻值越小，以及通過對存儲單元施加擦除截止電壓和編程電壓以實現(xiàn)存儲單元的較高阻值狀態(tài)，其中，擦除截止電壓絕對值越大，存儲單元阻值越大。
[0018]具體地，存儲單元為X位存儲單元時，操作方法可以包括以下步驟:
[0019](I)存儲單元為X位存儲單元時對應(yīng)2X種阻值狀態(tài)，按照阻值從小到大依次表示為 S1、S2......S2X ；
[0020](2)選取A個編程限制電流值，按照電流數(shù)值從大到小依次表示為第一編程限制電流II，第一編程限制電流12，……第A編程限制電流IA，其中A為正整數(shù)；
[0021](3)選取B個擦除截止電壓值，按照電壓數(shù)值絕對值從大到小依次表示為第一擦除截止電壓VI，第二擦除截止電壓V2，……第B擦除截止電壓VB，其中，B = 2X-A;
[0022](4)對存儲單元施加擦除電壓和Il以實現(xiàn)最小阻值狀態(tài)SI，對存儲單元施加擦除電壓和12以實現(xiàn)第二小阻值狀態(tài)S2，依次類推實現(xiàn)所有阻值狀態(tài)中A種阻值較小的狀態(tài)，即實現(xiàn)SI至SA;以及
[0023](5)對存儲單元施加Vl和編程電壓以實現(xiàn)最大阻值狀態(tài)S2X，對存儲單元施加V2和編程電壓以實現(xiàn)第二大阻值狀態(tài)S(2X-1)，依次類推實現(xiàn)所有阻值狀態(tài)中B種阻值較大的狀態(tài)，即實現(xiàn)S2X至S (2X+1-B)。
[0024]需要提醒的是，由于S(2X+1_B) = S(2X-B+1) = S(A+1),所以步驟(5)實際上是實現(xiàn)了阻值狀態(tài)S(A+1)至S2X。結(jié)合步驟(4)和步驟(5)相當(dāng)于實現(xiàn)了所有阻值狀態(tài)。
[0025]為使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好地理解，以下說明主要以兩位(2 bit)存儲為例，即一個存儲單元能夠記錄低阻值狀態(tài)(可記為“00”)、次低阻值狀態(tài)(可記為“01”)、次高阻值狀態(tài)(可記為“10”)以及高阻值狀態(tài)(可記為“11”)四種信息狀態(tài)，即一個單元可以實現(xiàn)4種不同阻值的相互轉(zhuǎn)化。更多位的存儲方案可以此類推，因此不再贅述。
[0026]圖2是一個典型的RRAM存儲單元在調(diào)節(jié)限制電流時的電學(xué)性能的示意圖。該存儲單元通過正向電壓set編程，負(fù)向電壓reset擦除。在set過程中，不同的限制電流通過不同形狀來代表，由圖看出，限制電流不同時，該單元被編程到不同的阻值，因此在圖中reset部分的斜率相應(yīng)不同。
[0027]圖3是本發(fā)明中選取合適的限制電流實現(xiàn)其中兩種信息狀態(tài)的操作方法示意圖。如圖3所示，當(dāng)限制電流越大時,得到的低阻電阻值(Low Resistance State)越小,相應(yīng)地,reset擦除時的電流最大值就會越高。對于存儲器陣列來說,大的reset電流勢必會引起功耗過大，因此綜合考慮足夠大的電阻值窗口、最大reset電流值容限以及較小的set操作電流，分別可選取限制電流為第一編程限制電流100 μ A和第二編程限制電流10 μ A (圖中虛線標(biāo)出，僅舉例說明，也可以選取其他合適的電流值)，來實現(xiàn)對應(yīng)12 Ω和14 Ω量級的兩個電阻狀態(tài)，即低阻值狀態(tài)“ 00 ”和次低阻值狀態(tài)“01”。
[0028]圖4是一個典型的RRAM存儲單元在調(diào)節(jié)截止電壓時的電學(xué)性能的示意圖。在圖中的reset過程中，不同的截止電壓用不同形狀來代表，由圖看出，截止電壓不同時，該單元被擦除到不同的程度，得到的電阻值相應(yīng)不同，表現(xiàn)為在圖中set部分的斜率相應(yīng)不同。此外，由不同的截止電壓操作后的電阻，再將其完全set編程至同一狀態(tài)時，所需要的set編程電壓也會變化，如圖中右半平面所示。
[0029]圖5是本發(fā)明中選取合適的電壓實現(xiàn)另兩種信息狀態(tài)的操作方法示意圖。如圖5所示，當(dāng)截止電壓絕對值越大時，reset擦除得到的電阻值越大，相應(yīng)地，下一次set編程至最低阻值時需要的set電壓就會越高。綜合考慮足夠大的電阻值窗口以及較小的set操作電壓，分別可選取截止電壓為第一擦除截止電壓-3V和第二擦除截止電壓-1V (圖中虛線標(biāo)出，僅舉例說明，也可以選取其他合適的電壓值)，來實現(xiàn)對應(yīng)1(ΓΩ和107Ω量級的兩個電阻狀態(tài)，即高阻值狀態(tài)“11”和次高阻值狀態(tài)“ 10”。
[0030]圖5的電壓調(diào)制結(jié)合圖3的電流調(diào)制，一個存儲單元就可以實現(xiàn)4種電阻值的記錄。圖6是本發(fā)明提出的綜合調(diào)節(jié)限制電流和截止電壓的操作方法原理示意圖。存儲單元的初始態(tài)是高阻態(tài)，即信息“11”，由于制備工藝中存在一定的加溫過程，已經(jīng)有一些上電極的金屬粒子擴(kuò)散進(jìn)入阻變介質(zhì)薄膜中。在set編程操作時，上電極施加正電壓，相應(yīng)的電場就會驅(qū)使上電極的金屬粒子失去電子，以正離子的形式向下電極移動。當(dāng)這些正離子移動到下電極后，會得到電子還原成原子，并依次堆積起來，從而形成了一條或多條貫穿介質(zhì)薄膜的導(dǎo)電細(xì)絲。在編程時，將限制電流分別設(shè)置為100μ A和10μ Α，會相應(yīng)的分別形成多而粗或者少而細(xì)的導(dǎo)電細(xì)絲，導(dǎo)致信息狀態(tài)分別轉(zhuǎn)換為“00”或“01”。相對地，在擦除時，上電極施加負(fù)電壓，電場將導(dǎo)電細(xì)絲中的金屬原子氧化為正離子，并在電場作用下，這些正離子被吸引回上電極，導(dǎo)電細(xì)絲因此被打斷，導(dǎo)致電阻值回到較高的量級。于是，在擦除時，將截止電壓分別設(shè)置為-1.0 V和-3.0V，會分別將存儲單元切換至具有少量導(dǎo)電細(xì)絲的信息態(tài)“10”和完全沒有導(dǎo)電細(xì)絲的初始高電阻態(tài)“11”。綜上，從存儲單元的器件物理角度，這種多位存儲，是通過控制阻變介質(zhì)中導(dǎo)電細(xì)絲的數(shù)量和粗細(xì)來實現(xiàn)的；從電學(xué)操作的角度，這種多位存儲的性能，是結(jié)合了編程時的限制電流調(diào)節(jié)和擦除時的截止電壓調(diào)節(jié)來實現(xiàn)的。
[0031]圖7是本發(fā)明的存儲信息狀態(tài)之間相互切換的操作方法示意圖。由圖可以看出，可以通過綜合調(diào)節(jié)限制電流和截止電壓的不同操作方法，實現(xiàn)四種信息狀態(tài)，即兩位數(shù)據(jù)之間任意切換。
[0032]圖8是本發(fā)明的操作方法與單一調(diào)節(jié)限制電流或截止電壓的方法之間的對比示意圖。與圖1中的現(xiàn)有技術(shù)相比，當(dāng)采用本發(fā)明的操作方法，分別選取編程限制電流為10 μ A和100 μ Α、擦除截止電壓-1V和-3V時，四個信息態(tài)之間的電阻值窗口(虛線間隔出的灰色區(qū)域)得到了很大的提升，有1-3個量級的差別，大大減小了數(shù)據(jù)在讀取時誤讀的潛在問題。同時操作電流和電壓都得到了有效控制，降低了存儲器的功耗。
[0033]為使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好地理解， 申請人:還對三比特存儲單元的情況進(jìn)行說明。當(dāng)存儲單元設(shè)為三比特存儲單元時，具有第一阻值狀態(tài)、第二阻值狀態(tài)……第八阻值狀態(tài)八種(23)狀態(tài)，八種狀態(tài)的電阻值依次增大。操作方法可以如下:對存儲單元施加擦除電壓和第一編程限制電流以實現(xiàn)第一阻值狀態(tài)，對存儲單元施加擦除電壓和第二編程限制電流以實現(xiàn)第二阻值狀態(tài)，對存儲單元施加擦除電壓和第三編程限制電流以實現(xiàn)第三阻值狀態(tài)，對存儲單元施加擦除電壓和第四編程限制電流以實現(xiàn)第四阻值狀態(tài)，其中，第一、二、三、四編程限制電流依次減小。以及，對存儲單元施加第一擦除截止電壓和編程電壓以實現(xiàn)第八阻值狀態(tài)，對存儲單元施加第二擦除截止電壓和編程電壓以實現(xiàn)第七阻值狀態(tài)，對存儲單元施加第三擦除截止電壓和編程電壓以實現(xiàn)第六阻值狀態(tài)，對存儲單元施加第四擦除截止電壓和編程電壓以實現(xiàn)第五阻值狀態(tài)，其中，第一、二、三、四擦除截止電壓的絕對值依次減小。
[0034]需要說明的是，也可以通過設(shè)置三個不同的編程限制電流數(shù)值和五個不同的擦除截止電壓數(shù)值來實現(xiàn)，本文不贅述。
[0035]在本發(fā)明的描述中需要理解的是，在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點包含于本發(fā)明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不必須針對的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點可以在任一個或多個實施例或示例中以合適的方式結(jié)合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以將本說明書中描述的不同實施例或示例以及不同實施例或示例的特征進(jìn)行結(jié)合和組合。
[0036]盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對上述實施例進(jìn)行變化、修改、替換和變型。
【權(quán)利要求】
1.一種阻變存儲器存儲單元的多值操作方法，其特征在于，通過綜合調(diào)節(jié)所述存儲單元的編程限制電流和擦除截止電壓以實現(xiàn)多值存儲，其中， 通過對所述存儲單元施加擦除電壓和編程限制電流以實現(xiàn)存儲單元的較低阻值狀態(tài)，其中編程限制電流數(shù)值越大，存儲單元阻值越小，以及 通過對所述存儲單元施加擦除截止電壓和編程電壓以實現(xiàn)存儲單元的較高阻值狀態(tài)，其中，擦除截止電壓絕對值越大，存儲單元阻值越大。
2.如權(quán)利要求1所述的操作方法，其特征在于，包括以下步驟: 所述存儲單元為X位存儲單元時對應(yīng)2X種阻值狀態(tài)，按照阻值從小到大依次表示為S1、S2......S2X ； 選取A個編程限制電流值，按照電流數(shù)值從大到小依次表示為第一編程限制電流II，第一編程限制電流12，……第A編程限制電流IA，其中A為正整數(shù)； 選取B個-擦除截止電壓值，按照電壓數(shù)值絕對值從大到小依次表示為第一擦除截止電壓VI，第二擦除截止電壓V2，……第B擦除截止電壓VB，其中，B = 2X-A; 對所述存儲單元施加擦除電壓和Il以實現(xiàn)SI，對所述存儲單元施加擦除電壓和12以實現(xiàn)S2，依次類推實現(xiàn)所有阻值狀態(tài)中A種阻值較小的狀態(tài)，即實現(xiàn)SI至SA ;以及 對所述存儲單元施加Vl和編程電壓以實現(xiàn)S2X，對所述存儲單元施加V2和編程電壓以實現(xiàn)S (2X-1)，依次類推實現(xiàn)所有阻值狀態(tài)中B種阻值較大的狀態(tài)，即實現(xiàn)S2X至S(2X+1-B)。
【文檔編號】G11C11/56GK104240757SQ201410441414
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月1日
【發(fā)明者】袁方, 張志剛, 潘立陽 申請人:清華大學(xué)