[发明专利]电阻随机存储器的初始化以及设置、复位方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别是涉及一种电阻随机存储器的初始化方法以及设置、复位方法。

背景技术

当前，开发成本低、速度快、存储密度高、制造简单且与当前的互补金属氧化物(CMOS)半导体集成电路工艺兼容性好的新型存储技术受到世界范围的广泛关注。基于电阻式随机存取存储器(Resistive Random AccessMemory，RRAM简称为电阻随机存储器)的内存技术是目前多家器件制造商开发的重点，因为这种技术可以提供更高密度、更低成本与更低耗电量的非易失性内存。RRAM的存储单元在施加脉冲电压后电阻值会产生很大变化，这一电阻值在断开电源后仍能维持下去。此外，RRAM具有抗辐照、耐高低温、抗强振动、抗电子干扰等性能。

RRAM包括多个存储单元组成存储器阵列，图1给出了典型的RRAM的一个存储单元结构，其中每个存储单元包括一个选通管2以及一个存储电阻1，形成1T1R的结构(T：transistor，R：Resistor)，其中选通管2多用场效应晶体管MOSFET进行存储器单元的选中以及读写操作。所述存储电阻1一端连接位线3，另一端与选通管2的漏极连接；选通管2的栅极与字线4连接，而源极接地。在RRAM中，存储电阻1的高阻态和低阻态，用来分别表征“0”和“1”两种状态，在不同方向的电压脉冲作用下，存储电阻1的阻值在上述高阻态和低阻态之间实现可逆的转换，从而实现信息存储功能。

常用于制造RRAM中存储电阻1的材料主要包括PrCaMnO₃、SrZrO₃等钙钛矿复杂氧化物，高分子有机材料以及二元金属氧化物例如Nb₂O₅、TiO₂、ZrO₂、 Ta₂O₅、NiO_x、Al₂O₃、Cu_xO、CoO、WO_x等。与其他材料相比，二元金属氧化物具有结构简单，制作成本低以及易于与现有CMOS工艺相兼容的优点，因此应用最为广泛。通常情况下，采用二元金属氧化物制作的RRAM在第一次使用前需要经过初始化。刚制造形成RRAM的存储电阻均为高阻态，需要一个高于存储器正常操作电压的电压来激活器件，使其向低阻态转变，然后RRAM才可以进入到正常的工作存储状态，上述初始化过程即本技术领域所谓的Forming操作。

图2以及图3是现有的两种对RRAM的初始化方法示意图。图2所采用的方法是向存储电阻1输入持续的直流电流，横坐标为输入电流的时间T，纵坐标为输入电流的电压U，随着时间的推移，所述输入电流的电压从0起保持一定的速率线性增长。图3所采用的方法是向存储电阻1输入电压脉冲，横坐标为输入电压脉冲的时间T，纵坐标为输入电压脉冲的电压U，保持电压脉冲的脉宽恒定，而随着时间的推移，逐渐增大电压脉冲的电压。

图4是现有的RRAM初始化方法中，存储电阻1的中流经的电流I随时间T的变化关系示意图，从图中可见，随着输入电压的不断增大，电流开始的变化幅度较小，但到了一个特定时间点T₀，电流突然跳跃式的增大，而到时间点T’₀，又趋于稳定，可知此时存储电阻的电阻值发生了突变，从高阻态跳转至低阻态。上述两个时间点的间隔极短，因此所述存储电阻的电阻值在初始化操作过程中是跳变的过程，所述阻态转变过程是难以控制的，既不能确定发生的具体时间，也无法控制阻态跳转后，具体的电阻值大小。可能导致激活后的RRAM的工作存储状态的不稳定，例如不同存储单元中存储电阻在相同阻态下的电阻值如果存在较大差异，在读取各存储单元数据时容易混淆而引起逻辑判断错误。

此外，RRAM在进入工作存储状态后，进行写操作时，存储电阻从高阻态转变为低阻态的过程称为设置操作，而从低阻态变回高阻态的过程成为复 位操作，现有的设置以及复位方法与初始化方法的手段相似，仅仅是电压大小以及方向有所差异，设置操作以及复位操作的电压值较初始化小，复位操作的电压脉冲与初始化、设置操作相反。同样现有的设置以及复位方法中，存储电阻的阻态变化也是突变过程难以控制，也可能引起存储单元数据读取时的逻辑判断错误。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种电阻随机存储器的初始化方法以及设置、复位方法，改善初始化以及设置、复位过程中因存储电阻的阻态跳转不可控，而导致存储器工作状态不稳定的问题。