[发明专利]编程电阻存储单元的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及微电子行业存储器技术领域，尤其涉及一种编程电阻存储单元的方法和装置。

背景技术

由于便携式电子设备的不断普及，非挥发存储器的市场需求迅速增长。闪存是目前非挥发存储器市场上的主流器件。但随着微电子技术节点不断向前推进，基于电荷存储机制的闪存技术遭遇诸如隧穿层不能随技术发展无限减薄以及与嵌入式系统集成等严重的技术瓶颈，迫使人们寻求下一代新型非挥发存储器。电阻随机存储器(Resistive Random AccessMemory)因其具有简单的器件结构、低压低功耗操作、擦写速度快和极佳的尺寸缩小性等优势，并且其材料与当前CMOS工艺兼容等特点引起高度关注。众多的材料体系被报道具有电阻转变特性，如有机材料，固态电解液材料，多元金属氧化物，二元金属氧化物等。在这些材料体系中，二元金属氧化物(ZrO₂、NiO、TiO₂、Ta₂O₅、CuO_x)等由于在组分精确控制、与CMOS工艺兼容性的潜在优势更加受到青睐。

图1是本发明现有技术施加到电阻存储单元的电脉冲的时序图。以初始阻态为高阻态为例，一系列置位脉冲(101，102)与用于读取电阻值大小的脉冲(103，104)交替地施加到RRAM器件上，若第一个置位脉冲101未能将电阻状态置位到低于基准低电阻值，则随后施加的置位脉冲102的脉宽相对于前一个置位脉冲的脉宽以指数规律增长。复位状态与之类似。

图2是本发明现有技术电阻存储单元的I-V特性曲线的示意图。由图2可知，在I象限和III象限分别表示出初始阻态为高电阻时的置位状态以及初始阻态为低电阻时的复位状态，电压扫描方向如图中箭头所示。置位时电压扫描方向为201-202；复位时电压扫描方向为203-204。在电脉冲作用下，电阻由较高阻态突变到一个较低阻态，称作置位，此处的较低阻态的大小由该电阻存储单元或阵列中置位后最大的低阻值确定。而在电脉冲作用下，电阻由较低阻态突变到一个较高阻态，称作复位，此处的较高阻态的大小由该电阻存储单元或阵列中复位后最小的高阻值确定。

图3是本发明现有技术电阻存储单元在多次扫描编程的示意图。实验中发现，置位和复位过程存在电压漂移现象，置位和复位电压是分布在一个区间范围(V_s1-V_s4，V_r1-V_r4)而不是一个固定的数值点。因此电阻存储单元在使用单一脉冲编程的过程中，一般为采用施加一个高于存储单元或阵列最大置位电压的电压脉冲编程，以图3为例，施加的置位脉冲必须大于V_s4，复位脉冲必须大于V_r4，才能确保编程成功。即使对于同一存储单元，由于工艺偏差等因素，同样存在置位与复位电压不均等的现象。

目前，通常采用最大化编程电脉冲来复位或置位电阻存储单元。虽然可以保证编程成功，但电阻存储单元在重复编程过程中，其电阻值不断在高低阻态之间来回循环编程，对于很多存储单元，最大化编程电脉冲会使得很多单元存在“过编程现象”，多余的电压或电流不断施加到存储单元上，将大大降低器件反复擦写的能力。

图4A是电阻存储单元中理想化的单极型电流电压曲线，图4B是电阻存储单元中理想化的双极型电流电压曲线，电阻的转变发生在同一极性上，称为单极性转变；如图4中，403-404为置位扫描曲线，401-402为复位扫描曲线，可以看到置位和复位发生在同一极性上。对于单极型电阻存储单元，因为在置位和复位中采取的电脉冲具有相似性，复位成功后，不及时停止对器件的脉冲激励很容易在余下的复位脉冲中发生二次置位。图5为本发明现有技术在单极型电阻存储单元中采用最大编程电脉冲发生的置位复位不稳定现象的示意图。上述置位与复位交叉的不稳定现象对于器件反复擦写极为不利，容易导致器件失效。

在实现本发明的过程中，发明人意识到现有技术存在如下缺陷：采用最大化编程电脉冲来复位和置位电阻存储单元所产生的“过编程现象”，将大大降低器件反复擦写的能力。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决上述缺陷，本发明提供了一种编程电阻存储单元的方法和装置，以提高器件反复擦写的能力，提高电阻存储单元的使用寿命。

(二)技术方案