專利名稱：一種電阻存儲器的激活操作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于電阻存儲器領域，具體涉及一種電阻存儲器的激活操 作方法。
背景技術：
由于便攜式電子設備的不斷普及，不揮發(fā)存儲器在整個存儲器市
場中的份額越來越大，其中90%以上的份額被FLASH占據(jù)。但是由于 串擾(cross talk)、以及隧穿層不能隨技術代發(fā)展無限制減薄、與 嵌入式系統(tǒng)集成等FLASH發(fā)展的瓶頸問題，迫使人們尋找性能更為優(yōu) 越的新型不揮發(fā)存儲器。最近，電阻隨機存儲器(Resistive Random Access Memory,簡稱為電阻存儲器)因為其高密度、低成本、有很 強的隨技術代發(fā)展能力等特點引起高度關注。電阻存儲器利用存儲介 質的電阻在電信號作用下，在高阻和低阻間可逆轉換的特性來存儲信 號，存儲介質可以有很多種，主要使用的材料有多元氧化物(如 SrZr03、 PbZrTi03、 Prl-xCaxMn03)、 二元金屬氧化物材料。當前電 阻存儲器的存儲介質通過濺射、金屬熱氧化等方法制備完畢以后，存 儲介質的電阻狀態(tài)為高組態(tài)，也即電阻存儲器的初始高祖態(tài)。
圖1所示為電阻存儲器的存儲介質的I一V特性曲線的示意圖。 如圖1所示，曲線100表示初始高阻態(tài)的電阻存儲介質的激活操作的 I-V曲線，電壓掃描方向如箭頭所示，當電壓從o開始向正向逐漸增 大到Vp時，電流會突然迅速增大達到鉗制電流值(也即限制電流值) 1。，，表明存儲介質從初始高阻態(tài)突變成低阻態(tài)；我們定義此電阻轉
換過程為激活操作(Forming)過程，VF定義為該存儲介質的激活電 壓(FormingVoltage);通過激活操作以后，所述電阻介質具有存儲 特性。曲線101表示存儲介質在激活操作以后的復位操作的I-V曲線， 當電壓由0向負向逐漸增大到V,t時，電流達到最大值，此后電流 會突然迅速減小，表明存儲電阻從低阻態(tài)突變成高阻態(tài)；存儲介質從 低阻態(tài)向高阻態(tài)轉變的過程稱之為復位操作(Reset), V^et為復位電 壓。曲線102表示存儲介質在復位操作以后的置位操作的I-V曲線， 當電壓由0向正向逐漸增大到VM時，電流會突然迅速增大達到鉗制 電流值L，，表明存儲電阻從高阻態(tài)突變成低阻態(tài)；存儲介質從高阻 態(tài)向低阻態(tài)轉變的過程稱之為置位操作(Set), Vs盯為置位電壓。曲 線101和102表面電阻存儲介質在激活操作以后具有存儲特性。通常
情況下，激活電壓Vf高出Vset和Vr腿t很多。
圖2所示為目前電阻存儲器的激活操作方式相對于其他操作方 式的比較圖?，F(xiàn)有技術中，電阻存儲器的激活操作一般通過在存儲器 兩端施加一個電壓值大于激活電壓VF的固定脈沖寬度的電壓脈沖， 使存儲介質在脈沖時間內的電壓偏置達到或者大于激活電壓W，從而 實現(xiàn)存儲器從初始高阻態(tài)向低阻態(tài)轉換。如圖2所示，激活操作的脈 沖電壓的高度比正常的復位和置位操作脈沖的電壓高度高很多。因此 現(xiàn)有技術的電阻存儲器的激活操作方法需要比正常復位和置位操作 高的電壓，主要有如下不足(1)針對激活操作的高電壓特征，電阻 存儲器的驅動電路中就得增設電荷泵電路來產生額外的高壓；(2)當 存儲器陣列較大時，需要激活操作的存儲器增加，激活操作的次數(shù)增 多，為保證與存儲介質串聯(lián)用作選通和限流的MOS管在多次高壓操作 后的可靠性，該MOS管必須使用高壓制造工藝；(3)激活操作的電壓 較高，易損壞存儲介質，甚至使其被擊穿而失去存儲性能。綜上所述，
現(xiàn)有技術中電阻存儲器的激活操作方法的高電壓特性將制約電阻存 儲器的實際應用。

發(fā)明內容
本發(fā)明旨在提供一種能在電阻存儲器的激活電壓以下完成電阻 存儲器激活操作的方法，以解決現(xiàn)有技術高電壓偏置帶來的弊端。
本發(fā)明的技術方案是這樣實現(xiàn)的 一種電阻存儲器的激活操作方 法，用于具有激活電壓的電阻存儲器從初始高阻態(tài)向低阻態(tài)轉換，它 包括以下步驟
(1) 在電阻存儲器上，施加使存儲介質上的偏置電壓低于所述激 活電壓的電信號；
(2) 保持所述電信號偏置；
(3) 該電阻存儲器從初始高阻態(tài)向低阻態(tài)轉換后，取消所述電信 號偏置。
所述電阻存儲器包括所述存儲介質、第一電極和第二電極。所述 電阻存儲器的一端串聯(lián)電流限制裝置。所述電流限制裝置為M0S選通 管。
根據(jù)本發(fā)明電阻存儲器的激活操作方法的一個實施例，所述電信 號是恒壓電壓信號；所述電阻存儲器從初始高阻態(tài)向低阻態(tài)轉換是通 過測量流過存儲介質層的電流變化來表征；所述存儲介質上的偏置電 壓等于所述存儲介質的電阻分壓壓降。
根據(jù)本發(fā)明電阻存儲器的激活操作方法的又一個實施例，所述電 信號是恒流電流信號；所述電阻存儲器從初始高阻態(tài)向低阻態(tài)轉換是 通過測量偏置存儲介質層兩端的電壓變化來表征；所述存儲介質上的 偏置電壓等于所述恒流信號的電流值與存儲介質的初始高阻態(tài)電阻
的乘積。
采用本發(fā)明電阻存儲器的激活操作方法的技術效果是可以使電 阻存儲器在較低電壓下完成激活操作，電阻存儲器的驅動電路中不需 要電荷泵電路來產生額外的高壓，并能避免因激活操作的電壓過高而 引起存儲介質擊穿、失去存儲性能的問題。


圖1是電阻存儲器存儲介質的I一V特性曲線的示意圖2是現(xiàn)有電阻存儲器的激活操作方式相對于其他操作方式的比較
圖3是本發(fā)明電阻存儲器的激活操作方法的電阻存儲單元的結構示 意圖4是本發(fā)明電阻存儲器的激活操作方法的程序框圖5是本發(fā)明的電阻存儲器的激活操作方法的一個實施例程序框圖6是本發(fā)明的電阻存儲器的激活操作方法的另一個實施例程序框
圖7是本發(fā)明激活操作時電信號的偏置時間示意圖8是使用圖5所示實施例實現(xiàn)激活操作的存儲介質流過的電流和電
信號偏置時間的曲線圖。
具體實施例方式
為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面結合附圖對 本發(fā)明作進一步的詳細描述。
如圖3為用于激活操作的電阻存儲單元的基本示意圖所示，該電 阻存儲單元由電阻存儲器11和選通M0S管10組成，電阻存儲器11
包括第一電極12、存儲介質14和第二電極16，所述第一電極12也 稱電阻存儲器的下電極，所述第二極16也稱電阻存儲器的上電極。 當該電阻存儲單元選通激活操作時，電壓信號施加于電阻存儲器11 的兩端；其中18a為當電信號為恒壓電壓信號時的恒壓信號，其中 18b為當電信號為恒流電流信號時的恒流信號；恒壓信號18a連接在 電阻存儲器的第一電極12和第二電極16兩端，恒流信號18b與電阻 存儲器11串聯(lián)，圖中所示為與第一電極12直接電連接。存儲介質 14為多元氧化物(如SrZr03、 PbZrTi03、 Prl-xCaxMn03)、 二元金 屬氧化物材料，本實施例中為CuxO (Kx《2)，它的初始高阻電阻值 為10M歐姆，遠大于其高阻態(tài)電阻(幾千歐姆)，其激活電壓W為5V， 大于其置位電壓VSET2. 2V。由于第一電極12和第二電極16為金屬良 導體材料，當電壓信號18a偏置用于激活操作時，存儲介質14上的 偏置電壓等于存儲介質14的電阻分壓壓降，也即存儲介質14上的偏 置電壓相當于電壓信號18a的電壓值；當電流信號18b偏置用于激活 操作時，存儲介質14上的偏置電壓等于恒流信號18b的電流值與存 儲介質14的初始高阻態(tài)電阻值的乘積。
圖4所示根據(jù)本發(fā)明的電阻存儲器的激活操作方法的程序框圖。 結合圖3和圖4所示，電阻存儲器11的激活操作方法包括
步驟S20，在電阻存儲11上施加使存儲介質14上的偏置電壓低 于激活電壓的電信號；
步驟S21，保持所述電信號偏置；
步驟S22，判斷電阻存儲11的存儲介質12是否由初始高阻態(tài)向 低阻態(tài)轉換，如果判斷為"否"，則返回至步驟S21，繼續(xù)保持電信 號偏置，如果判斷為"是"，則進行下一步；
步驟S23,取消所述電信號偏置。
至此，電阻存儲器11的激活操作結束，電阻存儲器在低于激活
操作電壓W的情況下完成了由初始高阻態(tài)向低阻態(tài)轉換，并且在其
后的測試過程中，表明該電阻存儲能完成正常的置位與復位操作。
圖5所示根據(jù)本發(fā)明的電阻存儲器的激活操作方法的一個實施 例的程序框圖。結合圖3和圖5所示，電阻存儲器11的激活操作方 法包括
步驟S30,在電阻存儲11上施加使存儲介質14上的偏置電壓低 于激活電壓的恒壓信號18a;
步驟S31,保持電壓信號偏置18a;
步驟S32，判斷流過存儲介質12的電流是否等于或大于基準值， 如果判斷為"否"，則返回至步驟S31，繼續(xù)保持電壓信號偏置，如 果判斷為"是"，則進行下一步；
步驟S33，取消電壓信號18a偏置。
至此，電阻存儲器ll的激活操作結束。其中，步驟S30中，存 儲介質14上的偏置電壓等于存儲介質14的電阻分壓壓降，也即存儲 介質14上的偏置電壓相當于電壓信號18a的電壓值；步驟S32中， 流過存儲介質12的電流也即流過存儲器11的電流，其基準值通過恒 壓值除以電阻存儲器11的最大低阻態(tài)值來確定。電阻存儲器11在低 于激活操作電壓Vp的情況下完成了由初始高阻態(tài)向低阻態(tài)轉換，并 且在其后的測試過程中，表明該電阻存儲能完成正常的置位與復位操 作。
圖6所示根據(jù)本發(fā)明的電阻存儲器的激活操作方法的另一個實 施例的程序框圖。結合圖3和圖6所示，電阻存儲器11的激活操作 方法包括
步驟S40,在電阻存儲11上施加使存儲介質14上的偏置電壓低
于激活電壓的恒流信號18b;
步驟S41,保持電流信號偏置18b;
步驟S42，判斷測量的存儲介質層兩端的電壓值是否等于或低于 基準值，如果判斷為"否"，則返回至步驟S41，繼續(xù)保持電壓信號 偏置，如果判斷為"是"，則進行下一步；
步驟S43,取消電流信號偏置18b。
至此，電阻存儲器11的激活操作結束。其中，步驟S40中，存 儲介質14上的偏置電壓等于恒流信號18b的電流值與存儲介質的初 始高阻態(tài)電阻值的乘積；步驟S42中，其基準值通過恒流值乘以電阻 存儲器11的最大低阻態(tài)值來確定。電阻存儲器11在低于激活操作電 壓W的情況下完成了由初始高阻態(tài)向低阻態(tài)轉換，并且在其后的測 試過程中，表明該電阻存儲能完成正常的置位與復位操作。
在圖4、圖5和圖6所示實施例的激活操作過程中，為使存儲介 質在向低阻態(tài)轉換時，電流的激增導致存儲器的存儲特性受影響，一 般在激活操作過程中連接一個與電阻存儲器串聯(lián)的限流裝置，如圖3 所示，MOS選通管作為限流裝置，其限流值的大小由MOS管的柵極上 的電壓、MOS管工藝參數(shù)等決定。同時，在圖4、圖5和圖6所示實
施例中激活操作時，存儲介質上的偏置電壓等于電阻存儲器的置位電 壓，或者比電阻存儲器的置位電壓大0.5V的范圍內，存儲介質上的 偏置電壓不小于電阻存儲器的讀操作電壓。
圖7所示為激活操作時電信號的偏置時間示意圖。在圖7中，實 線表示施加到存儲介質層的激活操作電信號，虛線表示施加激活操作 電信號時存儲介質層的電阻。當激活操作電信號偏置時間保持至t。 時，該存儲介質層的電阻迅速地降低，當電阻迅速地降低時，在電阻 存儲器激活操作成功。因此，在激活操作電信號的偏置時間被增至臨
界時間t。之后，該電信號馬上不再被施加到存儲介質層，激活操作 時間基本等于t。。
圖8所示為使用圖5所示的實施例實現(xiàn)激活操作的存儲介質流 過的電流和電信號偏置時間的曲線圖。所用電阻存儲器的激活電壓約 為5V (如圖3所示)，置位操作電壓3. IV。采用本發(fā)明設計的方法使 該器件可在3. 3V恒壓下完成激活。其中L50， L51和L52分別表示不 同的存儲單元在3. 3V恒壓下進行激活操作時流過存儲介質層的電流 和電信號偏置時間的關系曲線。可以看出，不同的存儲單元完成激活 所需時間不同，但都可以在3. 3V電壓偏置下完成。
在不偏離本發(fā)明權利要求所限定的情況下，還可以構成許多有很 大差別的實施例，即本發(fā)明不只限于在說明書中所述的具體實施例。
權利要求
1、一種電阻存儲器的激活操作方法，用于具有激活電壓的電阻存儲器從初始高阻態(tài)向低阻態(tài)轉換，所述電阻存儲器包括所述存儲介質、第一電極和第二電極，其特征在于，包括以下步驟(1)在所述電阻存儲器上，施加使存儲介質上的偏置電壓低于所述激活電壓的電信號；(2)保持所述電信號偏置；(3)該電阻存儲器從初始高阻態(tài)向低阻態(tài)轉換后，取消所述電信號偏置。
2、 根據(jù)權利要求1所述的一種電阻存儲器的激活操作方法，其特征 在于所述電阻存儲器的一端串聯(lián)電流限制裝置，所述電流限制裝置 為M0S選通管。
3、 根據(jù)權利要求1或2所述的一種電阻存儲器的激活操作方法，其 特征在于所述電信號是恒壓電壓信號，所述存儲介質上的偏置電壓等于所述存儲介質的電阻分壓壓降。
4、 根據(jù)權利要求3所述的一種電阻存儲器的激活操作方法，其特征在于所述電阻存儲器從初始高阻態(tài)向低阻態(tài)轉換是通過測量流過存儲介質層的電流變化來表征。
5、 根據(jù)權利要求1或2所述的一種電阻存儲器的激活操作方法，其特征在于所述電信號是恒流電流信號，所述存儲介質上的偏置電壓等于所述恒流信號的電流值與存儲介質的初始高阻態(tài)電阻的乘積。
6、 根據(jù)權利要求5所述的一種電阻存儲器的激活操作方法，其特征在于所述電阻存儲器從初始高阻態(tài)向低阻態(tài)轉換是通過測量偏置在存儲介質層兩端的電壓變化來表征。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電阻存儲器的激活操作方法，屬于電阻存儲器領域，用于具有激活電壓的電阻存儲器從初始高阻態(tài)向低阻態(tài)轉換，包括步驟(1)在電阻存儲器上，施加使存儲介質上的偏置電壓低于所述激活電壓的電信號；(2)保持所述電信號偏置；(3)該電阻存儲器從初始高阻態(tài)向低阻態(tài)轉換后，取消所述電信號偏置。本發(fā)明提供的激活操作方法具有低電壓操作的特點，可以使電阻存儲器的驅動電路中不需要電荷泵電路來產生額外的高壓，并能避免因激活操作的電壓過高而引起存儲介質擊穿、失去存儲性能等問題。
文檔編號G11C11/21GK101393768SQ20081020166
公開日2009年3月25日 申請日期2008年10月23日 優(yōu)先權日2008年10月23日
發(fā)明者萬海軍, 鵬 周, 宋雅麗, 明 尹, 林殷茵 申請人:復旦大學