專利名稱：阻性存儲(chǔ)設(shè)備的寫入和擦除方案的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于編程和擦除包含阻性存儲(chǔ)單位(cell)的非易失性存儲(chǔ)設(shè)備的方法和裝置。
背景技術(shù)：
近來，作為超高密度非易失性信息存儲(chǔ)器的潛在候選，阻性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(resistive random-access Memory, RRAM)產(chǎn)生了很大的利益。典型的RRAM設(shè)備在一對電極之間設(shè)置有絕緣層，并呈現(xiàn)由電脈沖引起的滯后電阻切換效應(yīng)。電阻切換解釋為由于焦耳熱和在二元氧化物(例如，NiO和TiO2)中的電化學(xué)過程、或包含氧化物、硫化物以及聚合物的離子導(dǎo)體的氧化還原過程，在絕緣體內(nèi)形成導(dǎo)電細(xì)絲(conductive filament)。電阻切換還可以解釋為離子在TiO2和非結(jié)晶娃(a_娃)膜中的場輔助擴(kuò)散。在a_硅結(jié)構(gòu)的情況下，電場引起的將金屬離子擴(kuò)散到硅中導(dǎo)致導(dǎo)電細(xì)絲的形成，這降低了 a-硅結(jié)構(gòu)的電阻。在移除偏置(或編程)電壓之后這些細(xì)絲仍然保留，從而對設(shè)備賦予其非易失性的特征，并且通過在反極性施加的電壓的動(dòng)力之下將離子向金屬電極反向回流，能夠移除這些細(xì)絲?；赼_硅結(jié)構(gòu)的阻性設(shè)備，尤其是形成在多晶硅上的基于a_硅結(jié)構(gòu)的阻性設(shè)備，典型地呈現(xiàn)良好的持久性或壽命周期。然而，如果在重復(fù)的寫入和擦除周期期間施加過高的偏置電壓，部分地由于焦耳熱和非必要的大量金屬離子在a-硅結(jié)構(gòu)中的移動(dòng)，使得阻性設(shè)備的持久性能夠被縮短。此外，一般地，RRAM設(shè)備的產(chǎn)量受到電成型過程的影響，其中，在該電成型過程期間，通過將大電壓(或電流)信號(hào)施加到該設(shè)備，在絕緣切換層內(nèi)形成導(dǎo)電路徑的主要部分。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種非易失性存儲(chǔ)設(shè)備，例如一種阻性存儲(chǔ)設(shè)備，尤其涉及一種用于通過基于流經(jīng)存儲(chǔ)單位的電流的變化來控制施加到存儲(chǔ)單位的偏置電壓(或電流)以編程和擦除該設(shè)備中的阻性存儲(chǔ)單位的方法和裝置。在一個(gè)實(shí)施例中，一種用于編程雙端阻性存儲(chǔ)設(shè)備的方法，該方法包括在將偏置電壓(或偏置電流)施加到設(shè)備的阻性存儲(chǔ)單位的第一電極；測量流過該單位的電流；并且如果所測電流等于或大于預(yù)定值則停止施加偏置電壓。在另一個(gè)實(shí)施例中，一種在切換設(shè)備中形成導(dǎo)電細(xì)絲結(jié)構(gòu)的方法包括設(shè)置阻性切換設(shè)備；將電壓施加到切換設(shè)備并在對設(shè)備施加電壓的同時(shí)測量流過該切換設(shè)備的電流；使用上升率增加所施加的電壓；在電壓增加的同時(shí)獲得電壓與電流的關(guān)系圖，該圖包含斜率；獲得用于形成導(dǎo)電細(xì)絲結(jié)構(gòu)的閾值電壓，該閾值電壓是當(dāng)斜率改變?yōu)轭A(yù)定值或變成大于預(yù)定值時(shí)的電壓；以及如果確定電壓約在閾值電壓處則停止施加電壓，其中，隨著向切換設(shè)備施加電壓，在切換元件中形成導(dǎo)電細(xì)絲結(jié)構(gòu)。在確定電壓約在閾值電壓處的預(yù)定時(shí)間延遲之后，電壓被停止。在另一個(gè)實(shí)施例中，一種在切換設(shè)備中形成導(dǎo)電細(xì)絲結(jié)構(gòu)的方法包括設(shè)置包括頂部電極、切換元件以及底部電極的阻性切換設(shè)備；將多個(gè)電壓脈沖施加到切換設(shè)備并且當(dāng)每個(gè)電壓脈沖被施加到設(shè)備時(shí)測量流過該切換設(shè)備的電流，該電壓脈沖的電壓隨時(shí)間增加；當(dāng)施加每個(gè)電壓脈沖時(shí)獲得電流的變化率，如果電流的變化率大于或等于預(yù)定值，則測量設(shè)備的電阻值；以及如果所測電阻值小于預(yù)定值，則開始終止過程以停止施加電壓脈沖。隨著電壓脈沖被施加到切換設(shè)備，在切換元件中形成導(dǎo)電細(xì)絲結(jié)構(gòu)。在一個(gè)實(shí)施方式中，電壓脈沖中的電壓以線性模式隨時(shí)間增加。在另一個(gè)實(shí)施方式中，電壓脈沖中的電壓以預(yù)定模式隨時(shí)間增加。在又一個(gè)實(shí)施方式中，在開始終止過程經(jīng)過了一定的時(shí)間延遲時(shí)，完成終止過程并且停止施加電壓脈沖。在另一個(gè)實(shí)施例中，一種在切換設(shè)備中形成導(dǎo)電細(xì)絲結(jié)構(gòu)的方法包括設(shè)置包括頂部電極、切換元件以及底部電極的阻性切換設(shè)備；在預(yù)定的時(shí)間段內(nèi)將預(yù)定電壓施加到設(shè)備；以及測量在預(yù)定的時(shí)間段內(nèi)設(shè)備中的電流隨時(shí)間的變化率；如果電流的變化率大于預(yù)定值，則開始終止過程以停止施加預(yù)定電壓，以及如果電流的變化率小于預(yù)定值，則繼續(xù)施加預(yù)定電壓。隨著預(yù)定電壓被施加到切換設(shè)備，在切換元件中形成導(dǎo)電細(xì)絲結(jié)構(gòu)。在又一個(gè)實(shí)施例中，一種在切換設(shè)備中形成導(dǎo)電細(xì)絲結(jié)構(gòu)的方法包括設(shè)置包括頂部電極、切換元件以及底部電極的電阻切換設(shè)備；在預(yù)定的時(shí)間段內(nèi)將預(yù)定電流施加到設(shè)備；測量在預(yù)定的時(shí)間段內(nèi)跨過設(shè)備的電壓隨時(shí)間的變化率；如果跨過設(shè)備下降的電壓的變化率大于預(yù)定值，則開始終止過程以停止施加預(yù)定電流，以及如果跨過設(shè)備下降的電壓的變化率小于預(yù)定值，則繼續(xù)施加預(yù)定電流。隨著電流被施加到切換設(shè)備，在切換元件中形成導(dǎo)電細(xì)絲結(jié)構(gòu)。在又一個(gè)實(shí)施例中，一種在切換設(shè)備中形成導(dǎo)電細(xì)絲結(jié)構(gòu)的方法包括設(shè)置包括頂部電極、切換元件以及底部電極的阻性切換設(shè)備；將多個(gè)電流脈沖施加到切換設(shè)備并且當(dāng)每個(gè)電流脈沖被施加到設(shè)備時(shí)測量跨過切換設(shè)備的電壓，電流脈沖中的電流隨時(shí)間增加；如果電壓的變化率大于預(yù)定值，則測量設(shè)備的電阻值；并且如果所測電阻值小于預(yù)定電阻值，則開始終止過程。隨著電流脈沖被施加到切換設(shè)備，在切換元件中形成導(dǎo)電細(xì)絲結(jié)構(gòu)。在一個(gè)實(shí)施方式中，電流脈沖中的電流以線性模式隨時(shí)間增加。在另一個(gè)實(shí)施中，電流脈沖中的電流以預(yù)定模式隨時(shí)間增加。在另一個(gè)實(shí)施方式中，在開始終止過程后經(jīng)過了一定的時(shí)間延遲時(shí)，完成終止過程。在附圖和以下描述中描述了一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的細(xì)節(jié)。從說明書、附圖以及權(quán)利要求中，其他特征、目標(biāo)以及優(yōu)點(diǎn)將是顯而易見的。


在下文中，將結(jié)合附圖描述示例性實(shí)施例，其中類似的附圖標(biāo)記表示類似的元件，以及其中圖1示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的包括底部電極、切換介質(zhì)以及頂部電極的非易失性存儲(chǔ)設(shè)備；圖2示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的設(shè)備的電阻切換特性；圖3A示出通過將編程電壓Vpth施加到頂部電極而處于打開狀態(tài)的雙端設(shè)備；圖3B示出通過將擦除電壓Veth施加到頂部電極而處于關(guān)閉狀態(tài)的雙端設(shè)備。圖4示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的基于非晶硅或非結(jié)晶硅(a-Si)的交叉存儲(chǔ)陣列400。圖5示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的包括控制電路和單位陣列的非易失性存儲(chǔ)設(shè)備的方框圖。圖6A示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的關(guān)于非易失性存儲(chǔ)設(shè)備的編程周期的伏安曲線。圖6B示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的非易失性存儲(chǔ)設(shè)備的編程和擦除周期的伏安曲線。圖7示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于編程非易失性存儲(chǔ)設(shè)備的電路。圖8示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的圖7中的電路的波形圖。
具體實(shí)施例方式圖1示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的包括底部電極102、切換介質(zhì)104以及頂部電極106的非易失性存儲(chǔ)設(shè)備100。切換介質(zhì)104呈現(xiàn)一電阻，通過使用適當(dāng)?shù)目刂齐娐罚撾娮枘軌蜻x擇性地被設(shè)定到各個(gè)值并且被重置。在本實(shí)施例中，設(shè)備100是雙端阻性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RRAM)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將領(lǐng)會(huì)的是，設(shè)備100也可以被用作可編程變量電容器或其他類型的設(shè)備。RRAM是在頂部電極和底部電極之間設(shè)置了切換介質(zhì)的雙端設(shè)備。通過對電極施加電信號(hào)，從而能夠控制切換介質(zhì)的電阻。電信號(hào)可以基于電流或基于電壓。如在此處使用的，術(shù)語“RRAM”或“阻性存儲(chǔ)設(shè)備”指的是一種使用切換介質(zhì)的存儲(chǔ)設(shè)備，通過施加電信號(hào)從而能夠控制該切換介質(zhì)的電阻，而切換介質(zhì)的鐵電性、磁化作用以及相位不會(huì)變化。在本實(shí)施例中，設(shè)備100是基于非結(jié)晶硅的RRAM并且使用非結(jié)晶硅(a-Si)作為切換介質(zhì)104。根據(jù)在a-Si切換介質(zhì)中形成或取走導(dǎo)電細(xì)絲而改變切換介質(zhì)104的電阻，其中形成或取走導(dǎo)電細(xì)絲以施加的電壓為依據(jù)。頂部電極106是包含銀(Ag)的導(dǎo)電層并且作為a-Si結(jié)構(gòu)中的形成細(xì)絲的離子的來源。雖然在本實(shí)施例中使用了銀，然而將理解的是，頂部電極106可以由各種其他的合適的金屬形成，如金(Au)、鎳(Ni)、鋁(Al)、鉻(Cr)、鐵(Fe)、錳(Mn)、鎢(W)、釩(V)以及鈷(Co)。底部電極102是硼摻雜的或其它p型的多晶娃電極，該電極與a-Si結(jié)構(gòu)的下端面接觸。圖2示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的設(shè)備100的電阻切換特性。切換介質(zhì)104顯示雙極性切換機(jī)制。切換介質(zhì)104的電阻的改變?nèi)Q于通過頂部電極106和底部電極102施加到切換介質(zhì)104的電流信號(hào)的極性和大小。當(dāng)施加等于或大于編程閾值電壓(或編程電壓)Vpth的正電壓時(shí)，設(shè)備100變成打開狀態(tài)(低電阻狀態(tài))。在實(shí)施例中，基于切換介質(zhì)104和頂部電極106的材料，編程電壓的范圍在2伏特到5伏特之間。當(dāng)施加等于或大于擦除閾值電壓(或擦除電壓)Vrth的負(fù)電壓時(shí)，設(shè)備100切換回到關(guān)閉狀態(tài)(高電阻狀態(tài))。在實(shí)施例中，擦除電壓的范圍是從-2伏特到-5伏特。如果施加的電壓在兩個(gè)閾值電壓Vpth和Vrth之間，則設(shè)備狀態(tài)不受影響，這使得能夠進(jìn)行低壓讀取過程。一旦設(shè)備100被設(shè)定到特定的電阻狀態(tài)，則在沒有電力的情況下，設(shè)備100也保留了某一時(shí)間段(或保留時(shí)間)的信息。圖3A和圖3B示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的在打開和關(guān)閉狀態(tài)期間的設(shè)備100的切換機(jī)制。在a-Si介質(zhì)104中的切換基于在a-Si介質(zhì)104中的細(xì)絲區(qū)域中形成和取走一個(gè)導(dǎo)電細(xì)絲或多個(gè)細(xì)絲，其中形成和取走導(dǎo)電細(xì)絲以施加到設(shè)備100的電極102和106的編程和擦除電壓為依據(jù)。圖3A示出通過將編程電壓Vpth施加到頂部電極106而處于打開狀態(tài)的設(shè)備100。由a-Si制成的切換介質(zhì)104設(shè)置在底部電極102和頂部電極106之間。切換介質(zhì)104的上部包括從頂部電極延伸到底部電極102上方大約IOnm處的金屬區(qū)域(或?qū)щ娐窂?302。在電成型過程期間，當(dāng)將比之后的切換電壓稍大的電壓(如3 5V)施加到頂部電極106時(shí)，形成金屬區(qū)域302。這個(gè)大的電壓導(dǎo)致由電場引起的將金屬離子從頂部電極106向底部電極102擴(kuò)散，從而形成連續(xù)的導(dǎo)電路徑303。切換介質(zhì)104的下部限定細(xì)絲區(qū)域304，在該細(xì)絲區(qū)域304中，當(dāng)在電成型過程之后施加編程電壓Vpth時(shí)形成細(xì)絲305。也可在電成型過程期間一起形成區(qū)域303和305。當(dāng)施加的編程電壓Vpth提供足夠的激活能量以將大量金屬離子從金屬區(qū)域302推向底部電極102時(shí)，細(xì)絲305包含一連串被限制在切換介質(zhì)104的下部的缺位中的金屬粒子。認(rèn)為細(xì)絲305包括許多金屬粒子，這些金屬粒子被不導(dǎo)電的切換介質(zhì)彼此分開并且沒有限定連續(xù)的導(dǎo)電路徑，不同于金屬區(qū)域302中的路徑303?；趯?shí)施方式，細(xì)絲305延伸大約2-10nm。在打開狀態(tài)下的導(dǎo)電機(jī)制是電子貫穿細(xì)絲305中的金屬粒子。設(shè)備電阻受金屬粒子306與底部電極102之間的貫穿電阻控制。在打開狀態(tài)下，金屬粒子306是在細(xì)絲區(qū)域304中最靠近底部電極102的金屬粒子并且是細(xì)絲區(qū)域304中僅剩的金屬粒子。圖3B示出通過將擦除電壓Veth施加到頂部電極而處于關(guān)閉狀態(tài)的設(shè)備100。擦除電壓施加足夠的電磁力以移走在a-Si的缺位捕獲的金屬粒子并從細(xì)絲區(qū)域304取走至少一部分細(xì)絲。在關(guān)閉狀態(tài)下最靠近底部電極的金屬粒子308從底部電極隔開比在打開狀態(tài)下金屬粒子306更大的距離。與打開狀態(tài)相比，金屬粒子308和底部電極之間的這個(gè)增加的距離將設(shè)備100置于高電阻狀態(tài)。在一個(gè)實(shí)施例中，在打開/關(guān)閉狀態(tài)之間的電阻率的范圍是從10E3到10E7。在打開狀態(tài)下，設(shè)備100表現(xiàn)像電阻器，并且在關(guān)閉狀態(tài)下，表現(xiàn)像電容器(即在關(guān)閉狀態(tài)下，切換介質(zhì)不傳導(dǎo)大量的電流并且表現(xiàn)為絕緣體)。在實(shí)施方式中，在打開狀態(tài)下，電阻是10E5歐姆，并且在關(guān)閉狀態(tài)下，電阻是10E10歐姆。在另一個(gè)實(shí)施方式中，在打開狀態(tài)下，電阻是10E4歐姆，并且在關(guān)閉狀態(tài)下，電阻是10E9歐姆。在又一個(gè)實(shí)施方式中，在關(guān)閉狀態(tài)下，電阻至少是10E7歐姆。在實(shí)施例中，設(shè)備100呈現(xiàn)可控的打開狀態(tài)，電流為IOnA-1OmA并且持久性大于10E6o然而，在室溫下，設(shè)備100呈現(xiàn)6年的相對較低的保留時(shí)間。認(rèn)為設(shè)備100的低保留時(shí)間的一個(gè)原因是僅僅存在少量的在細(xì)絲區(qū)域304的缺陷區(qū)域捕捉的金屬粒子。由于在細(xì)絲區(qū)域304的金屬粒子的數(shù)量有限，從而僅僅移走少量的金屬粒子能夠明顯地增加設(shè)備100的電阻并導(dǎo)致設(shè)備100從打開狀態(tài)切換到關(guān)閉狀態(tài)。為了增加保留時(shí)間，設(shè)備100應(yīng)該通過增加細(xì)絲區(qū)域304中缺位的數(shù)量以使得在缺位中捕捉金屬粒子，而在細(xì)絲區(qū)域304中提供更大數(shù)量的金屬粒子。然而，設(shè)備100具有P型多晶硅作為底部電極102，并且具有非結(jié)晶硅作為切換介質(zhì)104。由于a-Si切換介質(zhì)104形成在多晶硅底部電極102上，從而形成在多晶硅底部電極102上的非結(jié)晶硅實(shí)際上是同類的并且在a-Si和P型多晶硅之間的界面處具有相對較少的缺位。在界面處較少的缺位導(dǎo)致在細(xì)絲區(qū)域304中能夠被捕捉的金屬粒子較少。因此，即使在缺位形成中的小的變動(dòng)都能夠?qū)е滦枰蹲郊?xì)絲區(qū)域304中的金屬粒子的可用缺位的百分比的顯著變化。這能夠?qū)е聫囊粋€(gè)設(shè)備到一個(gè)設(shè)備和從一個(gè)編程狀態(tài)到另一個(gè)編程狀態(tài)的保留時(shí)間有大的波動(dòng)。因此，可取的是，提供具有較高缺失密度的切換介質(zhì)104的細(xì)絲區(qū)域304，以增加保留時(shí)間并且使得更能預(yù)見保留時(shí)間。然而，缺位的形成需要是可控的，這使得不會(huì)在細(xì)絲區(qū)域中產(chǎn)生太多缺位，否則將嚴(yán)重降低設(shè)備100的持久性，如同在提交于2009年10月20日的美國專利申請?zhí)?2/582,086中所說明的，其作為參考整體合并于此。圖4示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的基于非晶硅或a-Si的交叉存儲(chǔ)陣列400。交叉存儲(chǔ)陣列400包括沿著第一方向延伸的底部電極402的平行陣列。在實(shí)施例中，底部電極402包括底部金屬(未不出)和形成在底部金屬上的P型多晶娃(未不出)。在本實(shí)施例中，底部電極402是納米量級。例如,底部電極402的寬度大約是40nm并且間距大約是60nm。頂部電極404的平行陣列沿著第二方向延伸以與底部電極402交叉。頂部電極404包括能夠供應(yīng)形成細(xì)絲的離子的金屬，如銀(Ag)、金(Au)、鎳(Ni)、鋁(Al)、鉻(Cr)、鐵(Fe)、錳(Mn)、鎢(W)、釩(V)以及鈷(Co)。在實(shí)施例中，頂部電極404和底部電極402互相垂直。頂部電極404是寬度大約60nm和間距大約150nm的納米線。兩個(gè)陣列的每個(gè)交叉點(diǎn)406限定了雙端阻性存儲(chǔ)單位408。在每個(gè)交叉點(diǎn)406處的存儲(chǔ)單位408包括兩個(gè)被切換層410隔開的電極。切換層或結(jié)構(gòu)能夠具有與底部電極相同的寬度或比底部電極窄。在某些實(shí)施例中，在交叉存儲(chǔ)陣列中的每個(gè)存儲(chǔ)單位能夠存儲(chǔ)單個(gè)比特。在其他實(shí)施例中，存儲(chǔ)單位呈現(xiàn)多級電阻從而允許在每個(gè)單位中存儲(chǔ)多個(gè)比特。在本實(shí)施例中，切換層410包括非結(jié)晶硅或其他非晶硅。如在此處所使用的，術(shù)語“非結(jié)晶娃” (amorphous silicon)是指本質(zhì)上處于非晶相并可以包括少量晶體娃的娃材料。如在此處所使用的，術(shù)語“非晶娃” (non-crystalline silicon)是指呈現(xiàn)可控電阻的非結(jié)晶硅或非結(jié)晶多晶硅、及其組合等等。在一個(gè)實(shí)施例中，可以在硅基板上制造上述的交叉存儲(chǔ)陣列。在另一個(gè)實(shí)施例中，II1- V型半導(dǎo)體復(fù)合物(如砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN)、氮化硼(BN)等)或I1- VI型半導(dǎo)體復(fù)合物(如硒化鎘、碲化鋅等)可以被用作基板。圖5示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的非易失性固態(tài)阻性設(shè)備500的方框圖。設(shè)備500包括單位陣列502，該陣列包括多個(gè)阻性存儲(chǔ)單位。阻性存儲(chǔ)單位可以是NAND、N0R、交叉或其他配置?？刂齐娐?04將編程/擦除電壓(或電流)提供到單位陣列，以編程或擦除單位陣列中的單位。第一選擇電路506被配置為選擇施加了控制電路504的編程/擦除電壓的一行電阻單位。第一選擇電路被配置為提供到所選擇的單位的頂部電極的導(dǎo)電路徑，這使得編程/擦除程序能夠被施加到該單位。第二選擇電路508被耦接到單位陣列中的單位的底部電極。第二選擇電路被配置為選擇將要編程或擦除的所選擇的單位的列，并且把所選擇的單位的底部電極(或選擇的列)接地。第二選擇電路508將對應(yīng)于編程/擦除電壓的電壓施加到?jīng)]被選擇的單位的底部電極，這使得只有選擇的單位被編程或擦除。感測電路510被配置為感測所選擇單位的電流或電壓，并讀出所選擇單位的電阻狀態(tài)。根據(jù)實(shí)施方式，設(shè)備500可以使用不同的電流配置被編程或擦除。圖6A示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的關(guān)于阻性存儲(chǔ)設(shè)備(如設(shè)備100)的編程操作的伏安曲線600。設(shè)備100保持關(guān)閉，直到在切換層中偏置電壓達(dá)到完成細(xì)絲形成過程的編程電壓(例如，4伏特)這個(gè)點(diǎn)(附圖標(biāo)記604)為止，并且設(shè)備被打開。切換層從絕緣體轉(zhuǎn)化成電阻器。當(dāng)設(shè)備100打開的時(shí)候，設(shè)備100在點(diǎn)604處經(jīng)歷電流峰值(或者如果電流信號(hào)被用于切換設(shè)備，則跨過設(shè)備下降的電壓迅速降低)。在本實(shí)施例中電流峰值是I=V/R或2μΑ。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，編程電壓和電流量將隨著設(shè)備的實(shí)施方式而變化。例如，根據(jù)實(shí)施方式，編程電壓可以在1-4伏特之間變化。一旦設(shè)備100打開，則設(shè)備100在區(qū)域602和區(qū)域603中表現(xiàn)像電阻器。電流隨著所施加的偏置電壓而線性地增加或減少。在區(qū)域602處，設(shè)備100經(jīng)受過高的焦耳熱和過高的電流密度，這使設(shè)備變差并限制了其壽命周期。由于設(shè)備已經(jīng)打開，從而在區(qū)域602處的偏置是不需要的。一旦設(shè)備被打開，優(yōu)選在點(diǎn)604處或在點(diǎn)604附近，偏置電壓應(yīng)該停止。然而，由于不能制造兩個(gè)相同的設(shè)備，從而難以很好地安排編程操作的時(shí)間。每個(gè)設(shè)備都有輕微的特征差異。此外，由于同一設(shè)備經(jīng)受多次的編程/擦除周期，從而即使同一設(shè)備的特征也可能隨時(shí)間而改變。結(jié)果是，編程/擦除電壓 通常是預(yù)設(shè)了一些過驅(qū)動(dòng)電壓，以確保設(shè)備的編程/擦除。如果可以限制該過驅(qū)動(dòng)電壓，則設(shè)備的持久性或壽命周期能增加。換句話說，一旦在細(xì)絲區(qū)域形成細(xì)絲，則在點(diǎn)604處應(yīng)該關(guān)閉偏置電壓并且打開設(shè)備。在一個(gè)實(shí)施例中，通過使用流過設(shè)備的電流的改變代替分配預(yù)定編程電壓(或擦除電壓)，來控制設(shè)備100的編程操作。一種方法是如果電流隨時(shí)間變化的變化率等于或大于預(yù)定值，則關(guān)閉偏置電壓。另一種方法是如果電流隨電壓變化的變化率等于或大于預(yù)定值，則關(guān)閉偏置電壓。這些方法可以在下文實(shí)施。在一個(gè)實(shí)施例中，偏置電壓被施加到設(shè)備100。在偏置電壓被施加到設(shè)備的同時(shí)測量流過設(shè)備的電流。偏置電壓隨時(shí)間線性地增加。將被測電流與被確定為適合在設(shè)備100的切換層中形成細(xì)絲的預(yù)定值相比較。如果電流達(dá)到預(yù)定值，則偏置電壓被停止。或者，偏置電壓可以被施加稍長時(shí)間，以確保在切斷偏置電壓之前設(shè)備100已經(jīng)被打開。在另一個(gè)實(shí)施例中，多個(gè)幅值增加的電壓脈沖(或偏置電壓脈沖)被施加到設(shè)備100。在電壓脈沖被施加到設(shè)備100的同時(shí)，測量在設(shè)備100中的流動(dòng)電流。比較電流的變化率與被確定為適合在設(shè)備100的切換層中形成細(xì)絲的預(yù)定值。將電壓脈沖施加到設(shè)備100，直到電流的變化率等于或大于預(yù)定值為止。測量設(shè)備100的電阻值。如果電阻值小于預(yù)定電阻值，則將電壓脈沖停止或阻止施加到設(shè)備，并且結(jié)束編程操作。在另一方面，如果電阻值大于預(yù)定電阻值，則施加電壓脈沖直到電阻值變成小于預(yù)定電阻值為止?；蛘?，在電阻值變成小于預(yù)定電阻值之后，可以施加再一個(gè)電壓脈沖，以確保設(shè)備已經(jīng)被打開。在又一個(gè)實(shí)施例中，在預(yù)定的時(shí)間段內(nèi)將預(yù)定電壓施加到設(shè)備100。在預(yù)定的時(shí)間段內(nèi)，測量設(shè)備100中的電流隨時(shí)間的變化率。如果電流的變化率小于被確定為適合在切換層中形成細(xì)絲的預(yù)定值，則將預(yù)定電壓連續(xù)地施加到設(shè)備100。如果電流的變化率等于或大于預(yù)定值，則停止施加預(yù)定電壓。圖6Β示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的非易失性存儲(chǔ)設(shè)備(例如，設(shè)備100)的編程和擦除周期的伏安曲線650。曲線650以基本與編程操作相同的方式，示出擦除操作功能。主要差別是使用負(fù)壓作為擦除電壓，以取走在設(shè)備100的切換層的細(xì)絲區(qū)域中形成的細(xì)絲。圖7示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的包括用于編程阻性存儲(chǔ)單位單元750的控制電路702的非易失性存儲(chǔ)設(shè)備700。僅僅作為示意性的，此處描述的編程操作使用線性增加的偏置電壓。然而，也可以使用電壓脈沖或其他編程方法。阻性存儲(chǔ)單位單元750包括一個(gè)或多個(gè)阻性存儲(chǔ)單位。在一個(gè)實(shí)施例，單位單元750是具有多個(gè)阻性存儲(chǔ)單位的單位陣列。這些單位可以是交叉陣列、NAND配置、NOR配置或另一個(gè)配置。為方便地示出，將單位單元750作為單個(gè)阻性存儲(chǔ)單位來描述。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)理解，控制電路702可以用和具有多個(gè)單位的單位陣列一起使用的其他電路(例如，圖5中的電路)來實(shí)施?？刂齐娐?02包括電路檢測單元710和偏置電壓施加單元720，該電路檢測單元710用于檢測流經(jīng)單位單元750的電流，該偏置電壓施加單元720用于根據(jù)電流檢測的結(jié)果，響應(yīng)于設(shè)定信號(hào)SET和重置信號(hào)RET，將偏置電壓施加到單位單元720。偏置電壓施加單元720包括控制信號(hào)發(fā)生器722、電壓傳輸器724、比較器726以及偏置電壓施加器728?？刂菩盘?hào)發(fā)生器722被配置為接收設(shè)定信號(hào)SET，以開始編程操作和重置信號(hào)RET,以結(jié)束編程操作。在一個(gè)實(shí)施例中，控制信號(hào)發(fā)生器722產(chǎn)生響應(yīng)于設(shè)定信號(hào)SET的第一和第二使能信號(hào)Qb和Q和響應(yīng)于從電流檢索單元710反饋回來的重置信號(hào)RST的第一和第二失能信號(hào)Qb和Q。在一個(gè)實(shí)施方式中，控制信號(hào)發(fā)生器722是觸發(fā)器。電壓傳輸器724輸出與輸入到該電壓傳輸器724的輸入電壓Vl對應(yīng)的電壓V2。電壓傳輸器包括傳輸門，該傳輸門包括PMOS晶體管PUNMOS晶體管NI以及包括NMOS晶體管N2的下拉單元。根據(jù)從控制信號(hào)發(fā)生器接收的第一控制信號(hào)Qb和第二控制信號(hào)Q，PMOS晶體管Pl和NMOS晶體管NI耦接在用于接收輸入電壓Vl的第一節(jié)點(diǎn)和用于輸出電壓V2的第二節(jié)點(diǎn)之間。當(dāng)開始編程操作時(shí)，打開PMOS晶體管Pl和NMOS晶體管NI，以得到反映輸入電壓Vl的電壓V2。當(dāng)編程操作結(jié)束時(shí)，關(guān)閉PMOS晶體管Pl和NMOS晶體管NI，以斷開輸入電壓Vl與輸入電壓V2的關(guān)系。NMOS晶體管N2被耦接在第二節(jié)點(diǎn)和接地電壓端之間，并且被配置為通過其柵極端接收第二失能信號(hào)Q，并且把電壓V2下拉到接地電壓，以結(jié)束編程操作。比較器726在其第一輸入上接收電壓V2，并在其第二輸入中接收偏置電壓，并且輸出比較信號(hào)COM。偏置電壓是施加到單位單元以對其進(jìn)行編程的電壓。在一個(gè)實(shí)施例中，比較器726包括差分放大器，以檢測兩個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)之間的電壓差，并且放大該電壓差。比較器726可以包括差分放大器或具有差分放大器特征的操作放大器。偏置電壓施加器728響應(yīng)于來自比較器726的比較信號(hào)C0M，將偏置電壓供應(yīng)到單位單元。在一個(gè)實(shí)施例中，偏置電壓施加器728包括耦接在電流檢測單元710和單位單元750之間的NMOS晶體管N3。NMOS晶體管N3的柵極端被配置為接收比較信號(hào)COM。電流檢測單元710測量在編程操作期間流過單位單元的電流量，并且根據(jù)所測量的電流量輸出重置信號(hào)RST。當(dāng)所測量的電流達(dá)到編程電流時(shí)，即當(dāng)單位單元750被打開時(shí)，使能重置信號(hào)RST。在本實(shí)施例中，電流檢測單元710包括電流供應(yīng)單元712，該電流供應(yīng)單元712包括PMOS晶體管P2、P3以及電阻器Rl。電流供應(yīng)單元的PMOS晶體管P2和P3的柵極端被共同耦接到編程電壓施加器的NMOS晶體管N3的漏極端和PMOS P2的漏極端。PMOS晶體管P2和P3的源極端被耦接到供電電壓。POMS P2的漏極端被耦接到NMOS晶體管N3的漏極端并且還被耦接到PMOS晶體管P2和P3的柵極端。PMOS P3的漏極端被耦接到節(jié)點(diǎn)ND2，用于輸出重置信號(hào)RST來控制信號(hào)發(fā)生器722。電阻器Rl的一個(gè)末端被耦接到PMOS晶體管P3的漏極端，即節(jié)點(diǎn)ND2，并且另一個(gè)末端被耦接到地。當(dāng)打開電阻器Rl時(shí)，電阻器Rl設(shè)置有與單位單元750實(shí)質(zhì)上相同的電阻，這使得節(jié)點(diǎn)ND2處反映流過單位單元750的電流。圖8示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的電路702的波形圖。輸入電壓Vl被設(shè)定為上升到3V，超過編程電壓的2V。隨著設(shè)定信號(hào)SET被輸入到控制信號(hào)發(fā)生器722，開始編程操作?？刂菩盘?hào)發(fā)生器輸出使能信號(hào)Qb和Q。使能信號(hào)Qb是邏輯高并被施加到NMOS晶體管NI的柵極端以將其打開。使能信號(hào)Q是邏輯低并被施加到PMOS晶體管Pl和NMOS晶體管N2的柵極端。打開PMOS晶體管Pl并且關(guān)閉NMOS晶體管N2。當(dāng)編程操作開始時(shí)，將輸入電壓Vl施加到電壓傳輸器724并逐漸上升，例如，從OV上升到3V。使能信號(hào)Qb和Q打開PMOS晶體管Pl和NMOS晶體管NI，以對導(dǎo)電路徑提供輸入電壓VI。電壓傳輸器輸出與輸入電壓Vl對應(yīng)的電壓V2。由于NMOS晶體管N2被使能信號(hào)Q關(guān)閉，從而將輸出電壓V2施加到比較器726的一個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)。輸出電壓V2反映輸入電壓Vl的電壓升高。電壓V2的這個(gè)增大的電壓增大了其與輸入到比較器726的另一個(gè)節(jié)點(diǎn)的偏置電壓V3之間的電壓差。增大V2和V3之間的電壓差導(dǎo)致比較器726輸出增大電壓的比較信號(hào)COM。將比較信號(hào)COM施加到NMOS晶體管N3 (或編程電壓施加器728)的柵極端。打開編程電壓施加器728以將偏置電壓施加到單元單位(例如，所選擇的阻性存儲(chǔ)單位的頂部電極)。偏置電壓隨著比較信號(hào)COM的電壓的增加而增加。即，偏置電壓反映輸入電壓Vl的上升。最初，單元單位保持高電阻狀態(tài)并且阻止電流流過該單元單位。因此，在輸出節(jié)點(diǎn)ND2處沒有檢測到電流。當(dāng)偏置電壓達(dá)到2V時(shí)，即達(dá)到編程電壓時(shí)，單元單位轉(zhuǎn)換成低電阻狀態(tài)(即，轉(zhuǎn)換成電阻器)并且允許電流流過該單元單位。電流尖峰或電流的大的變化(di/dt)在輸出節(jié)點(diǎn)ND2被檢測到并且被施加到控制信號(hào)發(fā)生器722作為重置信號(hào) RST。當(dāng)接收到重置信號(hào)RST時(shí)，控制信號(hào)發(fā)生器722輸出邏輯低的失能控制信號(hào)Qb和邏輯高的失能控制信號(hào)Q，以關(guān)閉NMOS晶體管NI和PMOS晶體管Pl。對于輸入電壓Vl預(yù)先打開的導(dǎo)電路徑變?yōu)殛P(guān)閉。雖然輸入電壓Vl繼續(xù)上升到3伏，但是由于導(dǎo)電路徑已被關(guān)閉，從而施加到單元單位的偏置電壓不受影響。失能控制信號(hào)Q還打開NMOS晶體管N2并且電壓V2被下拉到接地電壓。比較器726依次地輸出關(guān)閉NMOS晶體管N3的比較信號(hào)COM。因此，一旦單元單位已經(jīng)被編程并且經(jīng)受非常小的過驅(qū)動(dòng)電壓，則單元單位停止接收電流。因此避免了許多非必要的多余焦耳熱。單元單位保持編程狀態(tài)直到接收到擦除電壓為止。擦除操作基本上以與上述的編程操作相同的方式運(yùn)行。一個(gè)差別應(yīng)該是施加負(fù)偏置電壓以代替正偏置電壓。雖然圖8不出了電壓電平隨時(shí)間而以上升率增加的輸入電壓Vl和偏置電壓V2,但是可以使用隨時(shí)間而增加的電壓脈沖或其他方法執(zhí)行該編程操作。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，由于偏置電壓在達(dá)到編程電壓后短暫地停止并且設(shè)備已經(jīng)被打開(例如，在圖6A中的點(diǎn)604處或靠近點(diǎn)604)，從而設(shè)備100經(jīng)受非常小的多余焦耳熱并且明顯地提高設(shè)備的持久性。已經(jīng)描述了大量的實(shí)施例。然而，將理解的是，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對其進(jìn)行各種修改。例如，根據(jù)實(shí)施方式，可以顛倒基板上的層的順序，其中頂部電極被設(shè)置在底部電極下方。因此，術(shù)語“頂部”和“底部”不應(yīng)被用于限制在a-Si結(jié)構(gòu)中提供形成細(xì)絲的離子的源電極和在其相反的一側(cè)設(shè)置的電極的相對位置。因此，其他的實(shí)施例落在下述權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于編程雙端阻性存儲(chǔ)設(shè)備的方法，該方法包括 將偏置電壓施加到所述設(shè)備的阻性存儲(chǔ)單位的第一電極； 測量流過所述單位的電流；以及 如果所測量的電流等于或大于預(yù)定值，則開始終止過程以停止施加該偏置電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，測量所述電流包括 檢測電流隨時(shí)間的變化率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，檢測所述電流包括 檢測電流隨電壓變化的變化率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述阻性存儲(chǔ)設(shè)備包括 頂部電極； 切換元件；以及 底部電極。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述阻性存儲(chǔ)設(shè)備包括金屬氧化物材料和導(dǎo)電細(xì)絲，該金屬氧化物材料是具有晶界的多晶材料，并且該導(dǎo)電細(xì)絲包括在所述晶界中形成的一個(gè)或多個(gè)氧空位或金屬空位。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在開始所述終止過程后經(jīng)過了一定的時(shí)間延遲時(shí)，完成所述終止過程。
7.—種在切換設(shè)備中形成導(dǎo)電細(xì)絲結(jié)構(gòu)的方法，包括 設(shè)置包括頂部電極、切換元件以及底部電極的阻性切換設(shè)備； 在預(yù)定的時(shí)間段內(nèi)將預(yù)定電壓施加到所述設(shè)備； 測量在所述預(yù)定的時(shí)間段內(nèi)所述設(shè)備中的電流隨著時(shí)間的變化率； 如果電流的所述變化率大于預(yù)定值，則開始終止過程以停止施加所述預(yù)定電壓，以及 如果電流的所述變化率小于預(yù)定值，則繼續(xù)施加所述預(yù)定電壓， 其中，隨著所述預(yù)定電壓被施加到所述切換設(shè)備，所述導(dǎo)電細(xì)絲結(jié)構(gòu)在所述切換元件中形成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，在開始所述終止過程后經(jīng)過了一定的時(shí)間延遲時(shí)，完成所述終止過程。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，通過測量所述設(shè)備的電阻值來測量所述電流的變化。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，在開始所述終止過程后經(jīng)過了一定的時(shí)間延遲時(shí)，完成所述終止過程。
11.一種在切換設(shè)備中形成導(dǎo)電細(xì)絲結(jié)構(gòu)的方法，包括 設(shè)置包括頂部電極、切換元件以及底部電極的阻性切換設(shè)備； 在預(yù)定的時(shí)間段內(nèi)將預(yù)定電流施加到所述設(shè)備； 測量在所述預(yù)定的時(shí)間段內(nèi)跨越所述設(shè)備的電壓隨時(shí)間的變化率； 如果跨越所述設(shè)備下降的電壓的變化率大于預(yù)定值，則開始終止過程以停止施加所述預(yù)定電流，以及 如果跨越所述設(shè)備下降的電壓的變化率小于預(yù)定值，則繼續(xù)施加所述預(yù)定電流， 其中，隨著所述電流被施加到所述切換設(shè)備，所述導(dǎo)電細(xì)絲結(jié)構(gòu)在所述切換元件中形成。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，在開始終止過程后經(jīng)過了一定的時(shí)間延遲時(shí)，完成所述終止過程。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述電流以電流脈沖的形式被施加并且以線性模式隨時(shí)間增加。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述電流以預(yù)定模式隨時(shí)間增加。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，在開始所述終止過程后經(jīng)過了一定的時(shí)間延遲時(shí)，完成所述終止過程。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，通過測量所述設(shè)備的電阻值來測量所述電壓的變化。
17.一種用于編程雙端阻性存儲(chǔ)設(shè)備的電路，該電路包括 用于將偏置電壓施加到所述設(shè)備的阻性存儲(chǔ)單位的第一電極的器件； 用于測量流過所述單位的電流的器件；以及 如果所測量的電流等于或大于預(yù)定值則用于開始終止過程以停止施加所述偏置電壓的器件。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的電路，其中，所述用于測量電流的器件包括 用于檢測電流隨時(shí)間的變化率的器件。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的電路，其中，所述用于檢測電流的器件包括 用于檢測電流隨電壓變化的變化率的器件。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的電路，其中，所述阻性存儲(chǔ)設(shè)備包括 頂部電極； 切換元件；以及 底部電極。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的電路，其中所述設(shè)備包括金屬氧化物材料和導(dǎo)電細(xì)絲，該金屬氧化物材料是具有晶界的多晶材料，并且該導(dǎo)電細(xì)絲包括在所述晶界中形成的一個(gè)或多個(gè)氧空位或金屬空位。
22.根據(jù)權(quán)利要求17所述的電路，其中，在開始所述終止過程后經(jīng)過了一定的時(shí)間延遲時(shí)，完成所述終止過程。
全文摘要
一種用于編程雙端阻性存儲(chǔ)設(shè)備的方法，該方法包括將偏置電壓施加到設(shè)備的阻性存儲(chǔ)單位的第一電極；測量流過單位的電流；以及如果所測量的電流等于或大于預(yù)定值，則停止施加偏置電壓。
文檔編號(hào)G11C16/14GK103069495SQ201180039621
公開日2013年4月24日 申請日期2011年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月14日
發(fā)明者H·納扎里安, 趙星賢 申請人:科洛斯巴股份有限公司