一种采用电阻存储介质的一次编程存储器及其操作方法技术

本发明专利技术属于集成电路技术领域，具体涉及一种一次编程存储器及其存储操作方法，在该器件中采用具有多次编程能力的二元或者二元以上的多元金属氧化物作为存储介质。通过施加大小和极性不同的电压于存储介质的两端，来对其进行编程和擦除操作。本发明专利技术的存储介质具有多次编程的能力，所以可以对本发明专利技术的存储器进行智能擦除和多次编程测试，提高存储器的产品良率和可靠性。本发明专利技术的器件具有低功耗、高良率、高容量的阵列块的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于集成电路
，具体涉及一种一次编程存储器及其存储操作方法。技术背景非挥发存储器在断电时仍能保持所存储的数据，这使得非挥发存储器在各种不同类型 的电子设备中有着及其广泛的应用。 一次编程存储器(OTP)是常见的非挥发存储器中的 一种，它通过字线和位线交叉的存储单元来存储逻辑信息，其中，常见的存储单元有熔丝、 反熔丝和电荷俘获型器件(例如浮栅雪崩注入场效应管)。 一次编程存储器一般是不可重 复编程的。一种一次编程存储器(OTP)的单元是利用电容中的二氧化硅层的击穿效应来存储数 据。这种基本的存储可编程只读存储器将一个氧化物电容和一个突变二极管串联在一起来 构成字线和位线的交叉单元。 一个未被电击穿的电容表示存储逻辑0，而一个被电击穿 的电容表示存储逻辑l。 二氧化硅层有一个10C/cm2的击穿电荷阈值，当一个10V的电 压加到一个10nm厚的电容绝缘层上，将产生一个lmA/cm2的电流流过。当加于10V电 压时，需要一定的时间来编程一个存储单元。然而在电击穿过程中会有高功耗的损失，例 如在lms的时间内一个5V的电压来编程存储单元，那个在每平方厘米的电容绝缘层上将 有50W的能量损失(10C*5V)。此外，由于器件一旦被击穿后不能被再进行编程和擦除操 作，所以对器件的测试条件要求较高，测试时不能击穿器件，同时也不能对器件进行加速 测试，所以测试所花费的时间也将较长，影响了产品的良率。另一些非挥发存储器能够被重复地编程和擦除，包括可擦除可编程只读存储器 (EPROM)和电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)，他们也可以被用做一次编程存储 器。EPROM通过照射紫外光来进行擦除，通过加电压来进行编程；而EEPROM擦出和编 程都是通过加不同的电压来完成的。EPROM和EEPROM具有相似的结构，也就是通常所 说的浮栅型结构。浮栅型结构通过浮栅上注入和移除电荷来实现存储数据，浮栅上存储电 荷的多少决定了器件的阈值电压Vt，根据阈值电压的不同来读出所存储的数据。一般来说，用于制造各种类型的非挥发存储器的工艺制程要落后于先进的CMOS逻辑 工艺。例如，用于快闪EEPROM的器件的工艺要比标准的先进CMOS工艺多加30%的掩 膜步骤，以便制造高电压产生电路、浮栅结构、ONO层、三阱，以及在这些器件中一般具 有的特殊的源和漏结所需的各种特殊的区域和结构。据此，用于快闪结构的器件要落后于先进CMOS工艺一到两代，同时每个芯片的成本 都要比后者贵30%。作为另一个例子，基于氧化层击穿效应的反熔丝器件的工艺必须适合 于制作各种反熔丝结构和高电压电路，因此该工艺同样趋于比先进CMOS工艺落后一代。随着工艺尺寸的縮小，上述的可编程只读存储器都会遇到瓶颈问题。例如，工业界普 遍认为快闪存储器将遭遇物理极限瓶颈，FLASH的浮栅不能随技术代发展无限制减薄；而 基于氧化层击穿效应的可编程只读存储器将遭遇软击穿的问题。最近电阻随机存储器(resistive random access memory,简称为RRAM)因为其高密度、 低成本、可突破技术代发展限制的特点引起高度关注，所使用的材料有相变材料、掺杂的 SrZr03、铁电材料PbZrTi03、铁磁材料Pr^CaxMnOh 二元金属氧化物材料、有机材料等。 二元金属氧化物(如铜的氧化物、钛的氧化物、镍的氧化物、锆的氧化物、铝的氧化物、铌 的氧化物、钽的氧化物等)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是己被报道的电阻存储单元的I一V特性曲线的示意图W，(a)是采用极性不同的电 压进行高阻和低阻间转换情形，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Vn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，示意图中电流增大不是无限制的，而是受回路中电流限制元件 的约束，到达最大值(以下称为钳制值)后不再随电压增加而增加。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，电流会突然迅速减小，表明存储电 阻从低阻突变成高阻状态。高阻和低阻分别代表不同的数据状态，这种改变是多次可逆的， 由此可实现数据存储。(b)是采用极性相同的电压来进行高阻和低阻转换的情形，曲线101 和100分别表示采用正向电压使存储电阻由高阻向低阻转换和由低阻向高阻转换的过程， 而103和102分别表示釆用负向电压使存储电阻由高阻向低阻转换和由低阻向高阻转换的 过程。在图1中，典型的高阻向低阻的转变电流为几微安，低阻向高阻转变的电流为几十微 安，比基于氧化层击穿效应的存储器要小的多。另一方面，转变的电压明显小于浮栅型结 构的存储器，所以电阻随机存储器同时具有低功耗的优点。图2是目前报道的CuxO电阻在高阻或电阻间来回转换的次数(以下称为可擦写次数) 的结果[1]，可以看到有600次左右，具有多次编程能力。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种功耗低、面积小、产品良率高的一次编程存储器及其存储 操作方法。本专利技术提出的一次编程存储器，具有以二元或者二元以上的多元金属氧化物作为存储 介质的存储电阻，该存储电阻和一个选通晶体管用于具有位线、字线、源线的阵列中。该 存储电阻具有两个电极，第一个电极连接到位线，第二个电极连接到选通晶体管的漏端。 所述选通晶体管具有栅极、漏极、源极，其中栅极连接到字线，漏极连接到存储电阻的第 二个电极，源极连接到源线。通过控制位线和源线之间的电压差，来使得存储电阻的阻值 变为高阻或低阻，从而存储不同的数据。本专利技术所述的二元或者二元以上的多元金属氧化物可以是铜的氧化物、镍的氧化物、 钛的氧化物、锆的氧化物、铝的氧化物、铌的氧化物、钽的氧化物、铪的氧化物、钼的氧 化物、锌的氧化物、SrZr03、 PbZrTi03或Pr^CaxMn03等。需要指出的是，对于以上存储 介质材料，由于制备工艺以及性能需求，在化学计量比上会有所变化，这不应视作对本发 明的限制。还应该指出的是，以上述金属氧化物材料为主要成份，在其中进行少量杂质元 素掺杂以改善性能，如在钼的氧化物或者铝的氧化物或者锆的氧化物中掺入微量铜，不应 视作对本专利技术的限制。上述结构中的这些选通晶体管可以是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或者 双极型晶体管(bipolartransistor)。本专利技术提出对以上存储器进行存储操作的方法。包括编程存储单元的方法、读取存储 单元的方法和对存储阵列进行擦除操作的方法。在进行编程操作时，通过连接到所述字线的行译码器和连接到所述位线列译码器选中 存储单元，施加一个给定极性和大小的编程电压至所述存储单元的两端，通过导通所述的 选通晶体管将编程电压施加到所述存储电阻上，从而对单元进行编程操作。在进行读取操作时，通过连接到所述字线的行译码器和连接到所述位线列译码器选中 存储单元，施加一个给定大小的读取电压至所述，通过导通所述的选通晶体管将读取电压 施加到存储电阻上，通过读取通过存储单元的电流大小并和参考源进行比较来读出存储单 元所存储的数据。在进行擦除操作时，通过选中所述存储阵列的一行或者几行，施加一个给定极性和大 小的擦除电压至所述行的存储单元的两端，将擦除电压本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种采用存储电阻介质的一次编程存储器，其特征在于具有以二元或者二元以上的多元金属氧化物作为存储介质的存储电阻，该存储电阻和一个选通晶体管用于具有位线、字线、源线的阵列中；该存储电阻两个电极，其第一个电极连接到位线，第二个电极连接到选通晶体管的漏端；　　　　所述选通晶体管具有栅极、漏极和源极，其栅极连接到所述的字线，漏极连接到存储电阻的第二个电极，源极连接到所述的源线；　　　　通过控制所述的位线和所述的源线之间的电压差，来使得存储电阻的阻值变为高阻或低阻，从而存储不同的数据。

【技术特征摘要】
1、 一种采用存储电阻介质的一次编程存储器，其特征在于具有以二元或者二元以上 的多元金属氧化物作为存储介质的存储电阻，该存储电阻和一个选通晶体管用于具有位 线、字线、源线的阵列中；该存储电阻两个电极，其第一个电极连接到位线，第二个电极 连接到选通晶体管的漏端；；所述选通晶体管具有栅极、漏极和源极，其栅极连接到所述的字线，漏极连接到存储 电阻的第二个电极，源极连接到所述的源线；通过控制所述的位线和所述的源线之间的电压差，来使得存储电阻的阻值变为高阻或 低阻，从而存储不同的数据。2、 根据权利要求1所述的存储器，其特征在于所述的二元或者二元以上的多元金 属氧化物是铜的氧化物、镍的氧化物、钛的氧化物、锆的氧化物、铝的氧化物、铌的氧化 物、钽的氧化物、铪的氧化物、钼的氧化物、锌的氧化物、SrZr03、 PbZrTi03或Pn-xCaxMn03。3、 根据权利要求1所述的存储器，其特征在于所述的选通晶体管为金属氧化物半导 体场效应晶体管或双极型晶体管。4、 根据权利要求1所述的存储器，其特征在于相邻两行的存储单元共用一条源线。5、 一种对权利要求1所述的一次编程存储器进行存储操作的方法，包括编程存储单 元的方法、读取存储单元的方法和对存储阵列进行擦除操作的方法，其特征在于编程操作通过连接到所述字线的行译码器和连接到所述位线列译码器选中存储单 元，施加一个给定极性和大小的编程电压至所述存储单元的两端，编程电压通过导通的所 述选通晶体管...

【专利技术属性】
技术研发人员：林殷茵，金钢，陈邦明，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]