專利名稱：減小阻變存儲器轉變電流的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及微電子半導體技術領域，特別涉及一種減小阻變存儲器轉變電流的方法。
背景技術：
阻變存儲器(Resistive-RAM，RRAM)是一種利用可控的電阻變化實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲的新型非揮發(fā)性存儲器。這種存儲器具有高速度(< Ins)、低電壓(< I. 5V)，高存儲密度、 可以在一個存儲單元上實現(xiàn)多值存儲，易于集成等優(yōu)點，是下一代半導體存儲器的強有力競爭者。阻變存儲器一般做成金屬-阻變層-金屬的三明治結構，其中兩個外層的金屬是電極，中間的阻變層一般是金屬氧化物，具有可變電阻的功能。阻變存儲器的工作原理是在阻變材料兩端施加大小或者極性不同的電壓，控制阻變材料的電阻值在高低電阻態(tài)之間轉換。習慣上稱阻變材料表現(xiàn)出的兩個穩(wěn)定的狀態(tài)為高阻態(tài)和低阻態(tài)，由高阻態(tài)到低阻態(tài)的轉變?yōu)閜rogram或者SET，由低阻態(tài)到高阻態(tài)的轉變?yōu)閑raze或者RESET。在阻變存儲器第一次轉變之前，通常需要施加一次較大的電壓，使器件從初始狀態(tài)轉變?yōu)榈妥钁B(tài)，這一過程稱為電形成(即forming)過程。目前通過大部分方法制備的阻變存儲器都需要forming 的過程。阻變存儲器目前面臨的一個關鍵問題是RESET過程所需要的電流較大，通常需要幾百微安到幾毫安。較大的轉變電流一方面增加阻變存儲器的轉變功耗，還會產(chǎn)生多余的熱量，影響器件的可靠性，另一方面也影響阻變存儲器的集成。因為一般情況下，阻變存儲器電路要做成1T-1R或1D-1R的結構。1T-1R指的是一個存儲單元由一個選通晶體管和一個阻變電阻組成，要向指定的單元寫入或擦除數(shù)據(jù)，需要依靠相應的晶體管控制。1D-1R結構指的是一個存儲單元由一個二極管和一個阻變電阻組成，這種結構一般用于高密度的交叉陣列結構，二極管用于防止旁路的串擾影響，在每條陣列的末端仍然需要一個選通晶體管控制。選通晶體管和二極管可以承受的最大電流會隨著器件尺寸的縮小而正比縮小，而阻變存儲器的RESET電流受面積的影響很小。所以為了實現(xiàn)高密度集成，RESET電流不能過大，否則將會需要很大面積的串聯(lián)晶體管或者二極管。阻變存儲器面臨的另一個技術挑戰(zhàn)是阻值的離散性很大，這一方面會導致高低阻窗口的縮小，另一方面也對外圍控制電路的設計造成了困難。研究表明，阻變存儲器之所以能夠在不同阻值的狀態(tài)之間相互轉換，主要與在介質薄膜材料內(nèi)部形成細絲導電通道有關，細絲導電通道通常在Forming的過程中形成，這些細絲導電通道的通斷就決定了存儲單元是處于高阻態(tài)還是低阻態(tài)，通道的形狀直接決定了器件的電阻值。然而，在Forming過程中導電通道的形成具有很大的隨機性，這就導致了阻變存儲器的阻值一致性較差，而且Forming過程一般不容易控制，導致形成的通道過粗過多，從而加大了低阻態(tài)的電流。因此有效控制導電通道的形成是提高存儲器件性能的關鍵。

發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術問題本發(fā)明要解決的技術問題是如何減小阻變存儲器的轉變電流，同時提高阻變存儲器阻值的均一性。( 二 )技術方案為解決上述技術問題，本發(fā)明提供了一種減小阻變存儲器轉變電流的方法，在對存儲陣列中所有阻變存儲器加熱的條件下完成電形成過程。其中，所述電形成過程如下對所述存儲陣列中所有阻變存儲器施加掃描電壓信號，且同時施加限制電流以完成電形成過程。其中，所述掃描電壓從OV開始，至2V IOV結束，所述掃描電壓每次遞增O. OIV O. 05V,每個電壓值保持Ius Ims,所述限制電流在50nA 50uA。其中，所述阻變存儲器為1T-1R結構，通過調(diào)節(jié)與阻變存儲器串聯(lián)的選通晶體管的柵極電壓來施加所述限制電流。其中，所述阻變存儲器為1D-1R結構，通過調(diào)節(jié)存儲陣列末端的選通晶體管的柵極電壓來施加所述限制電流。其中，所述電形成過程如下對所述存儲陣列中所有阻變存儲器施加掃描電流以完成電形成過程。其中，所述掃描電流從OA開始,線性增加至50nA 50uA結束,掃描電流每次遞增
O.5nA 50nA,每個電流值保持在Ius 1ms。其中，加熱溫度為85°C 250°C。(三)有益效果通過本發(fā)明的方法可以顯著減小阻變存儲器的轉變電流，從而降低功耗，提高器件的可靠性。還可以有效的控制低阻態(tài)電阻值，從而提高器件阻值的均一性。此外本發(fā)明提出的方法也同時減小了 Forming過程所需的電壓，從而使阻變存儲器更適合在實際電路中應用。


圖I為氧化鉿阻變存儲器件在不同溫度下使用電流掃描的Forming過程的電流-電壓曲線；圖2為氧化鉿阻變存儲器件在使用電流掃描的Forming過程中采用不同的最大掃描電流得到的電流-電壓曲線。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。傳統(tǒng)的Forming過程都是在器件制備完成后，在室溫下施加電壓信號控制，如電壓階梯掃描或者電壓脈沖，這種方法導致了 Forming過程具有很大的隨機性。本發(fā)明提出的新方法是Forming過程在高溫下完成，其溫度根據(jù)阻變氧化層材料的不同而不同，一般在85°C 250°C之間。加溫Forming過程可以在制備過程中完成，也可以在芯片制備完成后，將阻變存儲器芯片置于特定的烘烤箱或者探針臺上完成。在Forming過程中如果采用電壓信號控制，則同時施加一個較小的限制電流，電流的大小與阻變層材料有關，一般在 50nA 50uA。限制電流的方法可以通過使用特定的測試設備(如安捷倫、吉時利的測試設備都具有施加限流的功能)或者在阻變存儲器件上串聯(lián)一個合適的固定電阻或選通晶體管實現(xiàn)。一般的阻變器件都需要選通晶體管，所以電流限制的過程并不難實現(xiàn)。在專利CN101847688A中提到使用電流掃描的方法可以有效的控制Forming過程并提高器件均一性。因此可以在高溫時同時使用電流掃描完成Forming過程，掃描電流的最大值比室溫 Forming時采用的電流小,根據(jù)材料的不同，一般也在50nA 50uA。通過高溫并施加較小的電流限制的Forming后，器件的轉變電流會明顯降低，阻值的均一性會顯著提高。以下通過不同的實施例具體說明。實施例I將存儲陣列芯片置于一封閉腔體中，將腔體升溫至85°C 250°C。對陣列中所有阻變存儲器施加掃描電壓信號完成Forming過程，掃描電壓從OV開始，至2V 10V結束， 掃描電壓每次遞增0. OlV 0. 05V，每個電壓值保持Ius 1ms。同時施加限制電流，電流在50nA 50uA。其加熱溫度、電壓、電流的具體值與阻變存儲器所采用的金屬、氧化物材料不同而不同，加熱溫度優(yōu)選為上述85°C 250°C，如90°C、100°C、150°C或200V。實施例2將制備的包含1T-1R存儲陣列芯片置于一平臺，將平臺升溫至85°C 250°C。對陣列中所有阻變存儲單元施加掃描電壓信號完成Forming過程，掃描電壓從OV開始，至2V 10V結束，掃描電壓每次遞增0. OlV 0. 05V，每個電壓值保持Ius 1ms。同時調(diào)節(jié)與阻變存儲器串聯(lián)的選通晶體管的柵電壓，使晶體管的飽和電流為50nA 50uA。實施例3將存儲陣列芯片置于一封閉腔體中，將腔體升溫至85°C 250°C。對陣列中所有阻變存儲器施加掃描電流信號完成Forming過程，掃描電流從OA開始，線性增加至50nA 50uA結束，掃描電流每次遞增0. 5nA 50nA，每個電流值保持Ius 1ms。下面介紹為什么采用本發(fā)明的方法能夠減小阻變存儲器的轉變電流并且提高器件均一性的原理。阻變存儲器在室溫下的Forming過程一般表現(xiàn)出類似雪崩擊穿的性質，如圖I所示，室溫下Forming時器件的電阻表現(xiàn)出一個從初始電阻到低阻的突變，無論采用任何電流限制的方法都不能阻止這一雪崩過程，因此這時施加的限制電流效果很差。然而當溫度升到一定程度后，F(xiàn)orming過程中阻值的變化開始變平滑，如附圖I所示，當二氧化鉿阻變器件在150°C進行Forming時，其電阻變化已經(jīng)非常平滑了。這時如果施加電流限制，如電壓掃描時施加限制電流或者電流掃描時采用較小的停止電流，阻變存儲器的低阻電流將會保持在限制的電流附近，如圖2所示。這樣就實現(xiàn)了減小低阻態(tài)電流和提高阻變存儲器低阻態(tài)阻值均一性的目的。一般情況下，阻變存儲器的RESET電流就是低阻態(tài)在施加IV 2V 電壓時表現(xiàn)出來的電流，而高阻態(tài)阻值會與低阻態(tài)阻值有關聯(lián)性。因此阻變存儲器的RESET 電流和阻值的均一性都會得到改善。下面進一步解釋高溫下會表現(xiàn)出Forming過程中電阻值緩變的原因。研究表明，阻變氧化層中的導電通道一般是由氧空位組成，氧空位在外加電壓下生成，其生產(chǎn)概率可表示為
Γ b(E-c)p = a exp[ 丁—]其中a、b、c是與材料相關的常數(shù)，E是電場強度，T是絕對溫度。可見氧空位更容易在大電場和高溫下生成。在氧化層中如果形成了一個氧空位，那么在其附近的電場將會增加，從而這個氧空位附近的區(qū)域內(nèi)形成氧空位的概率就顯著增大。這樣形成氧空位的區(qū)域就像滾雪球一樣越來越大，難以控制。如果溫度升高，那么產(chǎn)生氧空位所需的電場就相應減小，表現(xiàn)為所需施加的電壓減小，這點可以從附圖I中看出。局部電場的減小使氧空位的雪崩生成過程得到控制，再結合較小的限制電流，就可以有效的控制生成的氧空位的數(shù)量， 從而達到控制導電通道生成的目的。以上實施方式僅用于說明本發(fā)明，而并非對本發(fā)明的限制，有關技術領域的普通技術人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術方案也屬于本發(fā)明的范疇，本發(fā)明的專利保護范圍應由權利要求限定。
權利要求
1.一種減小阻變存儲器轉變電流的方法，其特征在于，在對存儲陣列中所有阻變存儲器加熱的條件下完成電形成過程。
2.如權利要求I所述的減小阻變存儲器轉變電流的方法，其特征在于，所述電形成過程如下對所述存儲陣列中所有阻變存儲器施加掃描電壓信號，且同時施加限制電流以完成電形成過程。
3.如權利要求2所述的減小阻變存儲器轉變電流的方法，其特征在于，所述掃描電壓從OV開始，至2V IOV結束，所述掃描電壓每次遞增O. OlV O. 05V,每個電壓值保持 Ius Ims,所述限制電流在50nA 50uA。
4.如權利要求3所述的減小阻變存儲器轉變電流的方法，其特征在于，所述阻變存儲器為1T-1R結構，通過調(diào)節(jié)與阻變存儲器串聯(lián)的選通晶體管的柵極電壓來施加所述限制電流。
5.如權利要求3所述的減小阻變存儲器轉變電流的方法，其特征在于，所述阻變存儲器為1D-1R結構，通過調(diào)節(jié)存儲陣列末端的選通晶體管的柵極電壓來施加所述限制電流。
6.如權利要求I所述的減小阻變存儲器轉變電流的方法，其特征在于，所述電形成過程如下對所述存儲陣列中所有阻變存儲器施加掃描電流以完成電形成過程。
7.如權利要求6所述的減小阻變存儲器轉變電流的方法，其特征在于，所述掃描電流從OA開始，線性增加至50nA 50uA結束，掃描電流每次遞增O. 5nA 50nA，每個電流值保持在Ius 1ms。
8.如權利要求I 7中任一項所述的減小阻變存儲器轉變電流的方法，其特征在于，加熱溫度為85°C 250°C。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種減小阻變存儲器轉變電流的方法，涉及微電子半導體技術領域，在對存儲陣列中所有阻變存儲器加熱的條件下完成電形成過程。本發(fā)明的方法顯著減小了阻變存儲器的轉變電流，從而降低功耗，提高器件的可靠性。還可以有效地控制低阻態(tài)電阻值，從而提高器件阻值的均一性。
文檔編號G11C11/56GK102610273SQ201110435890
公開日2012年7月25日 申請日期2011年12月22日 優(yōu)先權日2011年12月22日
發(fā)明者劉力鋒, 康晉鋒, 高濱 申請人:北京大學