CN101847688B

CN101847688B - 一种减小阻变存储器阻值离散性的方法

Info

Publication number: CN101847688B
Application number: CN2010101631008A
Authority: CN
Inventors: 康晋锋; 高滨; 陈冰; 陈沅沙; 刘力锋; 刘晓彦; ***
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2010-04-29
Filing date: 2010-04-29
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2030-04-29
Also published as: CN101847688A

Abstract

本发明涉及一种减小阻变存储器阻值离散性的方法，该方法包括：S1、在Forming过程中施加一个电流脉冲，使阻变存储器的阻变材料从初始态转为低阻态；S2、在SET过程中施加一个电流脉冲，使阻变存储器的阻变材料从高阻态转为低阻态；S3、在RESET过程中施加一个反向电压脉冲，使阻变存储器的阻变材料从低阻态转为高阻态。本发明提出的电流电压控制方法可以显著的减小器件阻值的离散性，并同时可以提高低阻态的阻值，从而减小器件的工作电流，降低功耗。

Description

一种减小阻变存储器阻值离散性的方法

技术领域

本发明属于微电子半导体技术领域，具体涉及一种减小阻变存储器电阻转变过程中阻值离散性的方法。

背景技术

阻变存储器(RRAM)是一种利用可控的电阻变化实现数据存储的新型非挥发性存储器。这种存储器具有高速度(＜5ns)、低电压(＜2V)、高存储密度、易于集成等优点，是下一代半导体存储器的强有力竞争者。阻变存储器的工作原理是在阻变材料两端施加大小或者极性不同的电压，控制阻变材料的电阻值在高低电阻态之间转换。阻变存储器的工作方式包括单极和双极两种，前者在器件两端施加单一极性的电压，利用外加电压大小不同控制阻变材料的电阻值在高低电阻态之间转换，以实现数据的写入和擦除；而后者是利用施加不同极性的电压控制阻变材料电阻值的转换。习惯上称阻变材料表现出的两个稳定的状态为高阻态和低阻态，由高阻态到低阻态的转变为program或者SET，由低阻态到高阻态的转变为eraze或者RESET。在阻变存储器第一次转变之前，通常需要施加一次较大的电压，使器件从初始状态转变为低阻态，这一过程称为Forming过程。相对单极阻变存储器，双极的器件一般具有更好的性能和更简易的操作，因此双极阻变存储器更有希望得到最终的应用。

阻变存储器目前面临的一个关键问题就是阻值的离散性很大，这一方面会导致高低阻窗口的缩小，另一方面也对***控制电路的设计造成了困难。研究表明，阻变存储器之所以能够在不同阻值的状态之间相互转换，主要与在介质薄膜材料内部形成细丝导电通道有关，这些细丝导电通道的通断就决定了存储单元是处于高阻态还是低阻态，通道的形状直接决定了器件的电阻值。然而，在Forming过程导电通道的形成，以及SET过程中通道的重新连通都具有很大的随机性，这就导致了阻变存储器的阻值一致性较差。因此有效控制导电通道的形成是提高存储器件性能的关键。

发明内容

(要解决的技术问题)

本发明的目的在于提供一种减小阻变存储器电阻转变过程中阻值离散性的方法，以解决现有技术中的阻值离散性大的问题。

(技术方案)

为解决上述问题，本发明的减小阻变存储器阻值离散性的方法，包括：S1、在Forming过程中施加一个电流脉冲，使阻变存储器的阻变材料从初始态转为低阻态；S2、在SET过程中施加一个电流脉冲，使阻变存储器的阻变材料从高阻态转为低阻态；S3、在RESET过程中施加一个反向电压脉冲，使阻变存储器的阻变材料从低阻态转为高阻态。

其中，所述步骤S1中的电流脉冲的大小在1nA～10uA；所述步骤S2中的电流脉冲的大小在50nA～500uA；所述步骤S3中的电压脉冲的大小在1V～3V。

还提供一种减小阻变存储器阻值离散性的方法，包括：S1、在阻变存储器阵列外串联一个固定电阻；S2、在Forming过程中施加一个电压脉冲，通过串联的电阻，使阻变存储器的阻变材料从初始态转为低阻态；S3、在SET过程中施加一个电压脉冲，通过串联的电阻，使阻变存储器的阻变材料从高阻态转为低阻态；S4、在RESET过程中施加一个反向电压脉冲，并同时将串联的电阻短路，使阻变存储器的阻变材料从低阻态转为高阻态。

其中，所述固定电阻的阻值与阻变存储器的阻变材料高阻态阻值相近。

还提供一种减小阻变存储器阻值离散性的方法，包括：S1、在阻变存储器阵列外串联一个二极管；S2、在Forming过程中施加一个电压脉冲，通过串联的反向二极管，使阻变存储器的阻变材料从初始态转为低阻态；S3、在SET过程中施加一个电压脉冲，通过串联的反向二极管，使阻变存储器的阻变材料从高阻态转为低阻态；S4、在RESET过程中施加一个反向电压脉冲，通过串联的正向二极管，使阻变存储器的阻变材料从低阻态转为高阻态。

其中，所述二极管的正向电流大于RESET过程中通过阻变存储器的最大电流，所述二极管的反向饱和电流比高阻态电流大，并且，二极管的导通方向与阻变存储器RESET过程的电压方向一致。

其中，所述步骤S2中的电压脉冲的大小在3V～15V；所述步骤S3中的电压脉冲的大小在2V～10V；所述步骤S4中的电压脉冲的大小在1V～3V。

(有益效果)

本发明提出的电流电压控制方法可以显著的减小器件阻值的离散性，并同时可以提高低阻态的阻值，从而减小器件的工作电流，降低功耗。

附图说明

图1为氧化铪阻变存储器低阻态阻值与SET过程电流的关系；

图2为本发明提出的串联一个固定电阻提高一致性的电路结构示意图；

图3为发明提出的串联一个二极管提高一致性的电路结构示意图；

图4为50个氧化铪阻变存储器件Forming过程后高阻态和低阻态平均阻值的分布，包括传统的电压Forming和本发明提出的电流Forming的分布比较；

图5为一个氧化铪阻变存储器使用传统电压SET和本发明提出的电流SET方法得到的低阻态阻值的分布比较，每种方法测了100个周期；

图6为氧化铪阻变存储器在SET过程串联一个2kΩ的电阻与传统的不串联时通过电压脉冲转变得到的高低阻态阻值的分布比较，每种方法测了100个周期。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

研究发现，低阻态阻值受SET过程电流的控制，如附图1所示，SET过程的限流越大，低阻态的阻值越低，所以保持SET过程电流的恒定是提高阻值一致性的关键。然而传统的电压控制方法是外加恒定的电压信号，在器件电阻发生变化的一瞬间，由于寄生电容的影响，回路内部会产生很大的过冲电流，这一瞬间的大电流导致了阻值的不可控性，是造成离散的最主要的原因。取而代之的电流控制方法可以避免这一问题，由于电流控制的方法保持了回路内电流的恒定，从而也就保证了SET之后低阻态阻值的稳定。由于高阻态阻值主要受RESET过程的电压控制，因此在RESET过程中仍应采用电压信号。

实施例1

本实施例提出的新型阻变存储器控制方法如下：

S1、Forming过程中施加一个较小的电流脉冲(脉冲大小为1nA～10uA，具体数值视阻变层材料而定)，使器件从初始态转为低阻态；

S2、在SET过程中施加一个适当的电流脉冲(脉冲大小为50nA～500uA)，使器件从高阻态转为低阻态；

S3、在RESET过程中施加一个适当的反向电压脉冲(脉冲大小为1V～3V)，使器件从低阻态转为高阻态。

附图4给出了不同器件Forming过程中采用电流扫描方法得到的阻值分布与采用电压扫描方法的结果比较，可以看出，电流方法明显改善了不同器件的一致性，并提高了低阻态的阻值，从而使电路中的电流减小、功耗变低。附图5给出了对同一器件分别使用电流SET和电压RESET的阻值分布与同时使用电压SET和RESET时的阻值分布的比较，可以看出本发明提出的改进方法在提高阻值一致性方面的效果。

实施例2

本实施例提出的新型阻变存储器控制方法如下：

S1、在阻变存储器阵列外串联一个固定电阻，电阻的阻值与阻变器件高阻态阻值相近，如附图2所示，存储器工作时，

S2、在Forming过程中施加一个较大的电压脉冲(脉冲大小为3V～15V)，通过串联的电阻，使器件从初始态转为低阻态；

S3、在SET过程中施加一个适当的电压脉冲(脉冲大小为2V～10V)，通过串联的电阻，使器件从高阻态转为低阻态；

S4、在RESET过程中施加一个适当的反向电压脉冲(脉冲大小为1V～3V)，并同时将串联的电阻短路，在没用串联电阻的情况下，使器件从低阻态转为高阻态。

附图6给出了同一器件串联电阻和不串联电阻时阻值分布的比较，可以看出，串联电阻后阻值的一致性得到了改善，并提高了低阻态的阻值。这就证明了本发明提出的在Forming和SET过程串联电阻的方法是有效的。

实施例3

本实施例提出的新型阻变存储器控制方法如下：

S1、在阻变存储器阵列外串联一个二极管，二极管的正向电流足够大(大于RESET过程中通过阻变存储器的最大电流)，反向饱和电流比高阻态电流略大(与实施实例1中SET过程的脉冲电流大小相近最好)，二极管的导通方向与阻变存储器RESET过程的电压方向一致。电路结构如附图3所示。存储器工作时；

S2、在Forming过程中施加一个较大的电压脉冲(脉冲大小为3V～15V)，通过串联的反向二极管，使器件从初始态转为低阻态；

S3、在SET过程中施加一个适当的电压脉冲(脉冲大小为2V～10V)，通过串联的反向二极管，使器件从高阻态转为低阻态；

S4、在RESET过程中施加一个适当的反向电压脉冲(脉冲大小为1V～3V)，通过串联的正向二极管，使器件从低阻态转为高阻态。

以上为本发明的最佳实施方式，依据本发明公开的内容，本领域的普通技术人员能够显而易见地想到一些等同、替代或变型的方案，均应落入本发明保护的范围。

Claims

1.一种减小阻变存储器阻值离散性的方法，其特征在于，该方法包括：

S1、在阻变存储器阵列外串联一个固定电阻；所述固定电阻的阻值与阻变存储器的阻变材料高阻态阻值相近；

S2、在Forming过程中施加一个电压脉冲，通过串联的电阻，使阻变存储器的阻变材料从初始态转为低阻态；

S3、在SET过程中施加一个电压脉冲，通过串联的电阻，使阻变存储器的阻变材料从高阻态转为低阻态；

S4、在RESET过程中施加一个反向电压脉冲，并同时将串联的电阻短路，使阻变存储器的阻变材料从低阻态转为高阻态。

2.一种减小阻变存储器阻值离散性的方法，其特征在于，该方法包括：

S1、在阻变存储器阵列外串联一个二极管；

S2、在Forming过程中施加一个电压脉冲，通过串联的反向二极管，使阻变存储器的阻变材料从初始态转为低阻态；

S3、在SET过程中施加一个电压脉冲，通过串联的反向二极管，使阻变存储器的阻变材料从高阻态转为低阻态；

S4、在RESET过程中施加一个反向电压脉冲，通过串联的正向二极管，使阻变存储器的阻变材料从低阻态转为高阻态；

3.如权利要求1或2所述的减小阻变存储器阻值离散性的方法，其特征在于，

所述步骤S2中的电压脉冲的大小在3V～15V；

所述步骤S3中的电压脉冲的大小在2V～10V；

所述步骤S4中的电压脉冲的大小在1V～3V。