CN101118784A - 一种电阻随机存储器的复位操作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属微电子技术领域，具体涉及一种电阻随机存储器不挥发存储器的复位操作方法。本发明设计了一种脉冲幅度以步进式增长的复位编程方式，可以大大提高电阻存储单元的反复擦写次数，延长其使用寿命。
Description
技术领域
本发明属微电子技术领域，具体涉及一种电阻随机存储器(Resistive Random AccessMemory)不挥发存储器的复位操作方法。
背景技术
存储器在半导体市场中占有重要的地位。由于便携式电子设备的不断普及，不挥发存储器在整个存储器市场中的份额也越来越大，其中90％以上的份额被FLASH占据。但是由于串扰(CROSS TALK)、以及隧穿层不能随技术代发展无限制减薄、与嵌入式***集成等FLASH发展的瓶颈问题，迫使人们寻找性能更为优越的新型不挥发存储器。最近电阻随机存储器(Resistive Random Access Memory，简称为电阻随机存储器)因为其高密度、低成本、有很强的随技术代发展能力等特点引起高度关注，所使用的材料有相变材料[1]、掺杂的SrZrO3 [2]、铁电材料PbZrTiO3 [3]、铁磁材料Pr1-xCaxMnO3 [4]、二元金属氧化物材料[5]、有机材料[6]等。其中一些二元金属氧化物(如铜的氧化物[7]、钨的氧化物、钛的氧化物、镍的氧化物、铝的氧化物等)由于在组份精确控制、与集成电路工艺兼容性及成本方面的潜在优势格外受关注。
图1是电阻存储单元的I-V特性曲线的示意图[7]，曲线101表示起始态为高阻的IV曲线，电压扫描方向如箭头所示，当电压从0开始向正向逐渐增大到VT1时，电流会突然迅速增大，表明存储电阻从高阻突变成低阻状态，曲线100表示起始态为低阻的状态，当电压由0向负向逐渐增大到VT2时，电流达到最大值，此后电流会突然迅速减小，表明存储电阻从低阻突变成高阻状态。在电信号作用下，器件可在高阻和低阻间可逆转换，从而达到信号存储的作用。通常称从高阻转换为低阻的操作为置位(set)操作，从低阻转换为高阻的为复位(reset)操作。
图2是电阻存储单元多次扫描编程的I-V特性曲线的示意图，图2中代表性地描叙了存储单元三次置位和复位操作的过程。101a、101b、101c为电阻单元的三次置位操作，其对应的SET操作电压分别为VT3、VT4、VT5；100a、100b、100c为电阻单元的三次复位操作，其对应的RESET操作电压分别为VT6、VT7、VT8。其中101a、101b、101c置位操作分别与100a、100b、100c复位操作对应。实验中发现，SET和RESET操作电压存在漂移现象，即从图2中可以发现，SET操作电压VT3、VT4、VT5和RESET操作电压VT6、VT7、VT8分布在一个区域范围(0.1V-1V)而不是固定的一个数值点。因此电阻存储器在单一脉冲编程的过程中，一般为采用施加一个高于最大SET操作电压的电压脉冲或施加一个高于最大RESET操作电压的电压脉冲方法，以图2所示为例，所加的SET电压脉冲幅度大于VT5、RESET电压脉冲幅度大于VT8，才能保证存储单元每次编程的成功。对于同一存储阵列的不同存储单元，由于工艺的偏差等因素，同样存在不同单元SET和RESET操作电压的不均等的现象，其解决方法一般也是采取最大化编程脉冲幅度的方法。目前的电阻随机存储单元主要采用单一脉冲的方式来进行编程，如图3所示[1]。
电阻存储器的编程过程中，其在高阻态和低阻态来回编程循环的次数我们定义为疲劳特性，良好的疲劳特性将有利于电阻随机存储器的使用寿命。采用单一电压脉冲复位操作，将会使存储单元的绝大多数次复位操作都存在编程过头(over-programming)现象，这一现象的存在将降低电阻存储单元的疲劳特性。
发明内容
本发明提供一种可以提高电阻存储单元反复擦写次数、延长使用寿命的电阻随机存储器的复位操作方法。
本发明提供的电阻存储器复位操作方法，具体是在复位操作过程中用一种提供脉冲幅度以步进式增长的多个脉冲的办法实现编程，具体步骤为：
根据电阻随机存储器的初始存储数据状态，进行读操作，选择需要进行复位操作的单元；
对需要进行复位操作的存储单元，施加一个电压或者电流脉冲，脉冲的初始高度由电阻随机存储器存储单元或者阵列中的最小复位操作电流或电压决定；一般取初始电压的大小为0V～1.5V；
对所述存储单元进行读操作，如果存储单元由原来低阻状态转变为高阻状态，则复位操作成功，如果存储单元电阻状态未发生转变或未达到高阻状态，则继续施加复位操作脉冲；
增加一定的脉冲幅度并施加此脉冲，对所述存储单元进行读操作，如果存储单元由原来低阻状态转变为高阻状态，则复位操作成功，如果存储单元电阻状态未发生转变或未达到高阻状态，则继续施加复位操作脉冲；一般取增加的幅度为0.1V～1V；
未复位操作成功的情况下继续增加一定的脉冲幅度，并检测脉冲幅度是否超出最大脉冲幅度，如果小于最大脉冲幅度，施加此脉冲于存储单元，如果大于最大脉冲幅度，则复位操作失败；最大脉冲幅度值由电阻随机存储器存储单元或者阵列中的最大复位操作电流或电压决定，一般取1V～3V；进一步对所述存储单元进行读操作，如果存储单元由原来低阻状态转变为高阻状态，则复位操作成功，如果存储单元电阻状态未发生转变或未达到高阻状态，则重复此步骤，直到复位操作成功。
所述的步进式增长的一定的脉冲幅度值决定于电阻随机存储器的复位电压或电流的漂移分布情况，一般每次步进式增长的脉冲幅度值相等，但也不并限于此种情形。
采用所述的步进式增长编程脉冲对电阻随即存储器进行复位操作，可以大大提高电阻存储单元的反复擦写次数，延长其使用寿命。
所述的电阻存储器是以金属氧化物薄膜为存储介质，金属氧化物薄膜可以是CuxO(1＜x≤2)电阻存储，或者WOx(1≤x≤3)电阻存储薄膜，或者是NiOx(0.66＜x≤1)电阻存储薄膜，或者是TiO2电阻存储薄膜。
本发明还提供一种***，包括能够提供脉冲幅度以步进式增长的脉冲发生器及电阻存储阵列，以及耦连到存储阵列的控制器，以及与所述控制器通信的输入和输出，以及电源；所说存储器为金属氧化物薄膜为存储介质的电阻随机存储器。
所提供的***，还可以包括耦连到该处理器的无线接口。
附图说明
图1为电阻存储单元的I-V特性曲线的示意图。
图2为电阻存储单元多次扫描编程的I-V特性曲线的示意图。
图3为电阻存储单元采用的单脉冲编程方法的示意图。
图4为一个常规电阻随机存储器的实施例。
图5为基于本发明的一个电流发生器的实施例。
图6为本发明所提出的复位操作方法中施加的电脉冲信号特性。
图7为本发明所提出的复位操作方法的实施例。
图8为基于本发明的一个实施例的***的一部分。
具体实施方式
在以下给出的详细描述中，给出了一种电阻随机存储阵列及其***电路的实施例。这里公开的复位操作方法和相关电路能够适用于这种存储阵列。此外，提供了许多详细的细节以提供对本发明实施例的彻底理解。然而，相关领域的技术人员将会认识到，本发明在没有一个或多个具体细节的情况下，或者采用其他的方法、元件、材料等也可以实施。
整个说明书提到的“一个实施例”或“实施例”表示与该实施例结合描述的特定特征、结构或特性包含在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个说明书中的各处所出现的“在一个实施例中”或“在实施例中”等措辞不一定全指同一个实施例。而且，具体的特点、结构或特性可以在一个实施例或多个实施例中以任何合适的方式结合在一起。
图3示意给出了一个常规电阻随机存储器的实施例。一个电阻随机存储器300包含了一个电阻存储单元阵列，在本实施例中，这些电阻存储单元位于字线WL和位线BL的交叠位置处。虽然图中只给出了一个比较小的阵列，但是本发明所适用的范围并不仅仅局限于特定大小的存储器阵列。这里使用的术语“字线”和“位线”也仅仅是示意性的，并不局限于特定类型的存储阵列。
本实施例中的电阻随机存储器包含了一个典型的电阻存储单元阵列305，该阵列中的电阻存储单元排列在字线WL所构成的行和位线BL所构成的列中。
电阻存储单元35包含了一个电阻存储器件35a和选通器件35b。电阻存储器件35a可以是一种二元金属氧化物(如铜的氧化物、钨的氧化物、钛的氧化物、镍的氧化物、铝的氧化物等)材料，具有高阻和低阻两种稳定的存储状态；选通器件35b可以是MOS晶体管，或者是其他的具有一定阈值电压的器件。在本实施例中，电阻存储器件35a的第一端与位线BL相连，第二端与选通器件35b的漏极相连，选通器件35b的栅极与字线WL相连。在另一种实施例中的情形也可以是电阻存储器件35a的第一端与字线WL相连，第二端与选通器件35b的漏极相连，选通器件35b的栅极与位线BL相连。
电阻存储单元阵列305中的电阻存储单元是通过选择相应的行(或字线)和列(或位线)来访问的。行选择器310和列选择器315分别实现了对行和列的选择功能。
列选择器325同写驱动电路320和读出电路325相互连接。写驱动电路320将指定的逻辑值写入被选中的电阻存储单元，读出电路325读出被选中电阻存储单元的逻辑值。读出电路325可以包含灵敏放大器、比较器以及电流发生器。读出电路325同参考源330相互连接，用于提供灵敏放大器所需的比较基准。
在空闲状态下，或者在每次读/写访问操作前，行选择器310保持所有字线在低电平状态，使选通器件35b截止，同时列选择器315通过列选通晶体管36切断所有位线与写驱动电路320和读出电路325的连接。在这种方式下，所有的电阻存储单元都无法被访问，因为所有的位线都处于浮空状态，电阻存储器件上的电压降为零。
在读操作或写操作的过程中，行选择器310会提高被选中字线上的电压，同时保持未选中字线上的电压仍然为零，使被选中行上的选通器件导通。同样地，列选择器把被选中位线与写驱动电路320或读出电路325连通，，而未选中位线仍然保持在浮空状态。在这种方式下，写驱动电路320或读出电路325向选中单元施以一定的脉冲信号，以完成特定的读/写操作。在读操作完成以后，被选中电阻存储单元的状态被缓存到输出缓冲器345；在写操作发生之前，待写入的逻辑值被缓存到输入缓冲器340。
在一个实施例中，如果电阻存储器件的材料为非挥发性的阻性材料，那么电阻存储器件就可以通过对其施加电信号脉冲被编程为至少两种存储状态，电信号脉冲可以使电阻存储器件的阻值在高阻和低阻两种状态之间发生转换。应当指出的是，在另外一个实施例中，电阻存储器件可能会被编程为两种以上的电阻状态，同样应当视作本发明的适用范围之中。
对电阻存储器件的编程可以通过对选中的位线、字线施加一定的电压或电流信号来实现。在这种情形下，电阻存储器件的两端会产生一定的压降，从而形成编程电流，改变存储器件的电阻特性。在一个实施例中，被选中位线上施加1.5V的电压，被选中字线上施加1.5V的电压，就会在电阻存储单元的两端形成一个1V的电压，从而把电阻存储器件的电阻值置位，编程为低阻状态；被选中位线上施加3V的电压，被选中字线上施加1.5V的电压，就会在电阻存储单元的两端形成一个2V的电压，从而把电阻存储器件的电阻值复位，编程为高阻状态。这里“置位”和“复位”同“低阻”和“高阻”的关系只是一种惯例性的约定，相关领域的技术人员应当理解，其他的约定同样可以被采用。
电阻存储单元中所存储的信息可以通过测量电阻存储器件的电阻值来获得。在一个实施例中，可以在被选中位线上施加一个电流信号，从而在电阻存储单元的两端获得一个电压，将这个电压同参考源相比较，就可以获得电阻存储单元的电阻状态。
在一个实施例中，上述读/写操作可能由一个控制器350来进行统筹，控制器350接受外部的读/写操作命令，产生内部控制所需的各种信号，对电阻存储器的各个部分先后发出动作指令，完成指定的操作。
控制器350可能包含了一个电流发生器400。对一个电阻存储器件进行读操作、置位操作和复位操作可那需要采用完全不同的电信号，在本实施例中，电流发生器400可以受控产生这些操作所需的特定电信号脉冲。在一种实施例中，电流发生器400的控制电路可能是一个微处理器或者状态机410。
图4示意给出了一个电流发生器400的实施例。电流发生器400包含了一个状态机410和一个电流源电路420，状态机410与电流源电路420通过VIREF、EN1、EN2、EN3、EN4……ENn等信号进行通信。
状态机410从外部获得读电流设置信息和复位电流设置信息。读电流设置信息包含了提供给读操作的电流信号内容；复位电流设置信息包含了提供给复位操作的电流信号内容。由于工艺偏差等因素，这些信息可能在不同的硅片上都有所不同，也就是说，通过调节这些设置信息，电流发生器400可以给读操作和复位操作提供特别的补偿，进而优化电阻存储器的各种特性。此外，状态机410还从外部获得是否要发动一个读操作或复位操作的信号，以及一个时钟信号。
状态机410输出一系列的EN1-ENn信号来控制电流源电路420产生特定大小的电流信号。在本发明的一种实施例中n的值等于32，在另外的实施例中，n的值也可以不同，以提供不一样的电流组合方式。
状态机410也可以产生或输出一个外部的电压控制信号VIREF，这个信号被用来控制MOS晶体管40。在一个实施例中，电压控制信号VIREF的大小取决于读电流设置信息和复位电流设置信息，这些信息与特定批次硅片的工艺条件有关。MOS晶体管40的驱动能力决定了PBIAS点电压的大小，从而控制共源共栅结构42产生的电流基准源的大小。
在本发明的一个实施例中，共源共栅结构42和MOS晶体管40构成一个参考电流源，参考电流源的电流被镜像到共源共栅结构421-42n中，其中n的值为32，同EN信号的数量相等。状态机410可以通过EN信号激活这些共源共栅结构中的一个或一个子集，从而得到不同的电流组合。MOS晶体管45和MOS晶体管46构成一对电流镜，共源共栅结构421-42n中流过的总电流通过VC1被再次镜像到MOS管46所在的支路中。在本实施例中，VC1的节点电容为C1，主要由共源共栅结构421-42n的漏极所贡献，VC2的节点电容为C2，主要由I/O模块450和灵敏放大器的输入端电容所贡献。通过电流镜隔离C1和C2，可以降低各自支路的冲放电时间，产生上升沿和下降沿更加陡峭的电流脉冲信号。
VC2吸收了所有共源共栅结构产生的等量电流，并在节点出形成一个电压，该电压由电阻存储器件35a和选通器件35b两部分组成，其大小由电阻存储器件35a的状态所决定。当电阻存储器件35a处于高阻态时，VC2节点形成一个高电压；当电阻存储器件35a处于低阻态时，VC2节点形成一个低电压。在本实施例中，VC2节点同时被耦合到一个I/O模块450的输入端，用以提供外界对电阻存储单元的直接访问路径。
在一个实施例中，VC2节点被耦合到一个灵敏放大器430的输入端，与参考源440相比较，参考源440的电压被设置为介于高阻状态电压和低阻状态电压之间。灵敏放大器430的输出连接到I/O模块470，以指示被访问电阻存储单元的电阻状态。
图5示意给出了本发明所提出的复位操作方法中施加的电脉冲信号特性。对于需要进行复位操作的电阻存储单元，首先施加一个幅度相对较小的电脉冲501，一般为0V～1.5V。在这种情形下，有些电阻存储单元可能无法成功完成复位操作，这时需要对电阻存储单元的状态进行验证，如果操作没有成功，就需要施加一个幅度更大的电脉冲502。在整个复位操作的过程中，可能需要施加一个幅度阶梯性递增的连续电脉冲序列，直到被选中电阻存储单元被成功复位，或者达到一个可能导致单元加速损坏的最大电脉冲幅度509。要改变施加的电脉冲幅度，只需要减少或增加激活的共源共栅结构。
上述复位算法的具体操作步骤如下：
a.根据电阻随机存储器的初始存储数据状态，进行读操作，选择需要进行复位操作的单元；
b.对需要进行复位操作的存储单元，施加一个初始高度的电压或者电流脉冲，脉冲的初始高度由电阻随机存储器存储单元或者阵列中的最小复位操作电流或电压决定，一般取初始电压幅度为0V～1.5V；
c.对所述存储单元进行读操作，如果存储单元由原来低阻状态转变为高阻状态，则复位操作成功，如果存储单元电阻状态为发生转变或未达到高阻状态，则继续施加复位操作脉冲；
d.增加一定的脉冲幅度并施加此脉冲，对所述存储单元进行读操作，如果存储单元由原来低阻状态转变为高阻状态，则复位操作成功，如果存储单元电阻状态为发生转变或未达到高阻状态，则继续施加复位操作脉冲；一般取脉冲增加幅度为0.1V～1V；
e.未复位操作成功的情况下继续增加一定的脉冲幅度，并检测脉冲幅度是否超出最大脉冲幅度，如果小于最大脉冲幅度，施加此脉冲于存储单元，如果大于最大脉冲幅度，则复位操作失败；最大脉冲幅度值由电阻随机存储器存储单元或者阵列中的最大复位操作电流或电压决定，一般取1V～3V；进一步对所述存储单元进行读操作，如果存储单元由原来低阻状态转变为高阻状态，则复位操作成功，如果存储单元电阻状态为发生转变或未达到高阻状态，则重复此步骤，直到复位操作成功。
采用幅度逐次递增的电脉冲信号来对电阻存储器件进行复位操作，可以大幅度地提高电阻存储器件的反复擦写次数，延长电阻存储器的使用寿命。
图4所示的电流发生器400可以适用于不同的电阻存储单元阵列，而无需重新设计电流源，这使得电流发生器400特别适合于研发测试过程中的实验性存储器设计。
图6示意给出了本发明所提出的复位操作方法的实施例。在代码605中，状态机首先取得初始数据状态，在一个实施例中，初始数据状态包括了读电流设置信息和复位电流设置信息，代码605可以是软件、固件、硬件或者它们的组合。初始数据状态可以是从外部源获得的信息，也可以是按照特定的信息计算出来的适当值。
610块读取被选中电阻存储单元的电阻状态，并进而在615菱形中判断是否需要施以复位脉冲。
如果电阻存储单元的电阻状态与期望值一致，那么不需要进行任何复位操作；如果电阻存储单元的电阻状态与期望值不一致，那么以620块的初始数据为起点，625块就可能需要施加图5所示的一系列幅度逐次递增的复位脉冲信号。部分的电阻存储单元所需的复位脉冲幅度可能比其他电阻存储单元更高，然而它们也不能超过一个预设的最大值。
635菱形根据630块验证的结果判断前一次复位操作的结果是否已经成功，如果操作已经成功，则安全退出，如果未成功，则640块继续增加复位脉冲幅度。
645菱形判断复位脉冲幅度是否已经超过预设的最大值，在本实施例中，该最大值定义为可能使电阻存储器件提前损坏和后继置位失败的最小复位脉冲幅度。
参考图7为本发明提供的***的一个实施例，***700，可包括一个控制器701，无线接口702，存储器703，输入输出(I/O)装置704、电源705。。应当注意，本发明的范围并不限于具有这些部件的任何一种或具有所有这些部件的实施例。
控制器701可包括一个或多个微处理器、数字信号处理器、微控制器等。存储器703可用存储传输到***700或由***700传送的信息，还可用于存储指令。存储器703可以由一种或多种不同类型的存储器组成，例如快闪存储器和/或包含一种如本发明所说明的存储器件。
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Claims (2)
1.一种电阻随机存储器的复位操作的方法，其特征在于具体步骤如下：
(1)根据电阻随机存储器的初始存储数据状态，进行读操作，选择需要进行复位操作的单元；
(2)对需要进行复位操作的存储单元，施加一个电压或者电流脉冲，脉冲的初始高度由电阻随机存储器存储单元或者阵列中的最小复位操作电流或电压决定，初始电压幅度为0V～1.5V；
(3)对所述存储单元进行读操作，如果存储单元由原来低阻状态转变为高阻状态，则复位操作成功，如果存储单元电阻状态未发生转变或未达到高阻状态，则继续施加复位操作脉冲；
(4)增加一定的脉冲幅度并施加此脉冲，对所述存储单元进行读操作，如果存储单元由原来低阻状态转变为高阻状态，则复位操作成功，如果存储单元电阻状态未发生转变或未达到高阻状态，则继续施加复位操作脉冲；取脉冲增加幅度为0.1V～1V；
(5)未复位操作成功的情况下继续增加一定的脉冲幅度，并检测脉冲幅度是否超出最大脉冲幅度，如果小于最大脉冲幅度，施加此脉冲于存储单元，如果大于最大脉冲幅度，则复位操作失败；最大脉冲幅度值由电阻随机存储器存储单元或者阵列中的最大复位操作电流或电压决定，取1V～3V；进一步对所述存储单元进行读操作，如果存储单元由原来低阻状态转变为高阻状态，则复位操作成功，如果存储单元电阻状态未发生转变或未达到高阻状态，则重复此步骤，直到复位操作成功。
2.一种***，包括：能够提供脉冲幅度以步进式增长的脉冲发生器及电阻存储阵列，以及耦连到存储阵列的控制器，以及与所述控制器通信的输入和输出，以及电源；所说存储器为金属氧化物薄膜为存储介质的电阻随机存储器。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20080206 |