[发明专利]存储器装置和操作这些存储器装置的方法

说明书

技术领域

本发明有关于金属氧化物存储器装置，及操作此金属氧化物存储器装置的方法。

背景技术

施加适合于集成电路中执行的电平的电子脉冲，可导致金属氧化物在两个或更多合适的范围内改变电阻。因为金属氧化物简单的结构、与标准互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺的兼容性、高速率、低功率消耗，以及具有3D叠层的潜力，使得金属氧化物在电阻式随机存取存储器(resistive random access memory，RRAM)装置的应用方面受到了关注。

以氧化钨WO_x为基底的RRAM已在两个或更多的电阻范围内，展现良好的电阻切换性质。可参考美国专利号7,800,094，标题【具有含钨化合物的嵌式电阻式存储器的存储器装置及其制造方法】，申请日为2007年12月12日的专利。

在两个电阻态之间，维持相对大的电阻窗口是重要的，以可信赖地决定所存储的数据值。然而，由于材料的变异、工艺及操作环境，需要去改变金属氧化物存储器单元(memory cell)的电阻态的脉冲性质在通过阵列时会变化。

解决所需脉冲性质的变异的尝试，牵涉到施加足够编程每一存储器元件至所要的电阻态的单一高电压脉冲。然而，这导致至少一些存储器元件经历了比过渡到所要的电阻态的所需电压更高的电压。随着时间的推移，这些不必要的高电压会导致在金属氧化物材料上产生电阻上的变异。这些变异会减少电阻窗口，产生数据可靠性的问题，及可能的装置故障。

因此，提供操作金属氧化物存储器装置的方法，以解决上述耐久性的问题，并产生改善的可靠度，值得期待。

发明内容

存储器装置和操作这些存储器装置的方法能够有效地使阵列中的金属氧化物存储器元件编程，同时也避免了施加不必要的高电压脉冲。此处所述的编程操作，包括施加较低的电压脉冲，来通过金属氧化物存储器元件，以建立所需的电阻状态，只有当施加较低的电压脉冲不足以对存储器元件进行编程，才施加较高电压脉冲。如此一来，在存储器元件上施加不必要高电压的问题可以避免。

操作可编程到多个电阻态的金属氧化物存储器元件在此描述。此方法包括施加第一偏压安排，以建立在多个电阻态中的第一电阻态。此第一偏压安排包括第一电压脉冲。此方法包括确定在施加第一偏压安排后，是否该金属氧化物存储器元件是处于第一电阻态。如果存储器元件不是处于第一电阻态，此方法包括施加第二偏压安排至金属氧化物存储器元件，以建立第一电阻态。此第二偏压安排包括第二电压脉冲，此第二电压脉冲的脉冲高度大于第一电压脉冲的脉冲高度。

在施加第二偏压安排之后，如果存储器元件仍然不是处于第一电阻态，可尝试一次或更多次施加额外的电压脉冲，此额外的电压脉冲的脉冲高度大于第一电压脉冲的脉冲高度，以编程存储器元件。假如一预定次数的施加额外电压脉冲已经达到，而存储器单元仍未被编程，则可使用冗余(redundancy)技术，来取代该存储器单元。

在此所描述的存储器装置包括可编程至多个电阻态的金属氧化物存储器元件。此存储器装置也包括一控制器，此控制器包括逻辑电路，以施加上述的偏压安排。

本发明通过下述的优选具体实施例，并配合附图说明，以对本发明得到一更深入的了解。

附图说明

图1是简化的集成电路的方块图，此集成电路包括存储器单元的存储器阵列，此存储器单元具有金属氧化物存储器元件，而能被操作。

图2显示图1中的存储器阵列的一部分。

图3显示一范例的金属氧化物存储器单元的剖面图。

图4为具有图3中结构的金属氧化物存储器单元的TEM影像。

图5A显示在金属氧化物存储器元件中存储一位数据值的双极性操作顺序。

图5B是金属氧化物存储器元件反应具有多种脉冲性质的脉冲，所测量到的电阻的Shmoo图。

图5C是金属氧化物存储器元件反应具有多种脉冲性质的脉冲，所测量到的金属氧化物存储器元件电阻的Shmoo图。

图6是包括验证及高电压再试的双极设定操作的操作顺序的流程图。

图7显示出图6的操作顺序的范例计时图。

图8A是双极模式复位操作用来编程一选择的存储器元件从较低电阻态至较高电阻态的操作顺序的流程图。

图8B是当在双极模式下操作时，被控制器所执行的操作编程程序的流程图。

图9是显示当在双极模式下操作时，金属氧化物存储器元件需要1次、2次、3次编程偏压安排来建立较低电阻态，所测量到的所占百分比的圆饼图。