一种基于奥式阈值开关的非易失存储操作方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于奥式阈值开关的非易失存储操作方法及系统，基于阈值电压值与关态电阻值呈强正相关性的发现，可以通过对奥式阈值开关分别执行重复单向脉冲操作，来调节关态电阻值，进而对应的调节对应的阈值电压，从而使得奥式阈值开关具有足够区分度的阈值态；基于奥式阈值开关在两个具有明显差异的阈值态之间的转换，可以实现信息的非易失性存储，且具有足够大的阈值电压窗口，可以明显提高读操作的准确性，也大大降低了外部电路的复杂性。除此之外，奥式阈值开关具有纳秒级开关速度、可微缩性好且易三维堆叠的优点，其在实现非易失存储单元时有望用于小于20nm技术节点下的DRAM应用场景，从而在匹配DRAM存取速度的基础上大幅提高存储密度。基础上大幅提高存储密度。基础上大幅提高存储密度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于奥式阈值开关的非易失存储操作方法及系统


[0001]本专利技术属于微纳米电子
，更具体地，涉及一种基于奥式阈值开关的非易失存储操作方法及系统。

技术介绍

[0002]动态随机存取存储器(Dynamic RandomAccess Memory，DRAM)因其兼具速度和存储密度的优势，在过去几十年一直作为计算机存储架构的主存储器。然而，随着技术节点进入20nm后，DRAM受限于尺寸微缩导致的电容量减小及晶体管漏电流增大等问题，已逼近尺寸微缩的物理极限，并且DRAM进一步微缩所需的复杂工艺和高昂成本还导致其微缩带来的成本收益逐渐趋向饱和，在物理尺寸和成本上形成壁垒而造成“微缩墙”。
[0003]为此，需要在匹配DRAM存取速度的基础上，实现更小工艺尺寸的新型存储器。而目前几种主流的基于电阻转变机制的新型存储器中，阻变存储器(Resistive Random Access Memory，RRAM)和相变存储器(Phase
‑
Change Memory，PCM)因为存储单元内部在擦写过程中必须经过结构的非易失性转变，读写速度难以匹配DRAM；而基于自旋矩转移的磁性随机存储器(spin
‑
transfer torque magnetoresistence Random Access Menory，STT
‑
MRAM)在读写速度上虽具有优势，但在可扩展性、存储密度和成本上均有劣势，被认为更适合用于静态随机存取存储器(Static Random
‑<br/>Access Memory，SRAM)的应用场景，而铁电随机存取存储器(Ferroelectric RAM，FeRAM)则同样面临严重的尺寸微缩问题。
[0004]奥式阈值开关(Ovonic Threshold Switch)具有开关速度快、工艺成本低、易三维堆叠等特点，在速度和密度上足以匹配DRAM，而基于奥式阈值开关存储信息的关键在于实现两个具有明显差异的态可以在电操作下转换。
[0005]在现有技术中，主要利用了奥式阈值开关的阈值电压具有极性依赖性的特点，采用极性脉冲的操作方案实现两个具有明显差异的态之间的转换。然而，这种基于奥式阈值开关阈值电压的极性依赖性的方法可能会由于阈值开关层内部的缺陷仅对一个方向的导通有贡献，所以在某一材料中的阈值电压窗口大小在某一固定值附近波动；受限于奥式阈值开关的极性特征不显著，所对应产生的阈值电压的窗口较小，进而导致其作为存储单元时的读取准确率差；除此之外，采用极性脉冲操作下的外部电路同时也需要更高的复杂度。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于奥式阈值开关的非易失存储操作方法及系统，用以解决现有技术阈值电压窗口较小的技术问题。
[0007]为了实现上述目的，第一方面，本专利技术提供了一种基于奥式阈值开关的非易失存储操作方法，包括擦除操作，包括以下步骤：
[0008]对奥式阈值开关施加脉冲信号，以读取其初始阈值电压V
th0
，并获取奥式阈值开关初始状态下的关态电阻值R
ini
；
[0009]对奥式阈值开关重复施加reset脉冲来增大其关态电阻值，直至其关态电阻值与
R
ini
之比大于第一预设比值，从而实现擦除操作；
[0010]其中，上述关态电阻值为奥式阈值开关在预设固定电压下的电阻值；预设固定电压的取值范围为V
th0
/2的邻域范围；上述reset脉冲为单向脉冲。
[0011]进一步优选地，若在施加脉冲信号之前，上述奥式阈值开关未经过第一次导通，则在施加脉冲信号之前，对奥式阈值开关施加直流电压扫描，使其完成第一次导通。
[0012]进一步优选地，reset脉冲的脉宽范围为10
‑
500ns，幅值范围为2
‑
10V。
[0013]进一步优选地，上述非易失存储操作方法，还包括写入操作，具体包括：
[0014]当奥式阈值开关的关态电阻值大于R
ini
与第一预设比值的乘积时，对奥式阈值开关重复施加set脉冲来减小其关态电阻值，直至其关态电阻值与R
ini
之比小于第二预设比值，从而实现写入操作；
[0015]其中，set脉冲为单向脉冲，其脉宽大于reset脉冲的脉宽、且其幅值小于reset脉冲的幅值。
[0016]进一步优选地，set脉冲的脉宽范围为1
‑
50μs，幅值范围为1
‑
4V。
[0017]进一步优选地，上述非易失存储操作方法，还包括读取操作，具体包括：对奥式阈值开关施加预设电压，从而实现读取操作；
[0018]其中，预设电压大于电压V
low
、且小于电压V
high
；电压V
low
大于当奥式阈值开关的关态电阻值为R
ini
与第二预设比值的乘积时的阈值电压；电压V
high
小于当奥式阈值开关的关态电阻值为R
ini
与第一预设比值的乘积时的阈值电压。
[0019]进一步优选地，上述奥式阈值开关包括从上到下依次分布的第一金属电极层、阈值开关层和第二金属电极层。
[0020]进一步优选地，上述阈值开关层的材料选自SiTe
x
、CTe
x
、BTe
x
、GeTe
x
、AlTe
x
、BiTe
x
、AsTe
x
、SnTe
x
、MgTe
x
、GeSe
x
、SbSe
x
、BiSe
x
、AsSe
x
、GeS
x
和GaS
x
中的至少一种；
[0021]或者，上述阈值开关层的材料选自掺杂的SiTe
x
、CTe
x
、BTe
x
、GeTe
x
、AlTe
x
、BiTe
x
、AsTe
x
、SnTe
x
、MgTe
x
、GeSe
x
、SbSe
x
、BiSe
x
、AsSe
x
、GeS
x
和GaS
x
中的至少一种；其中，掺杂元素选自N、Sb、In、C中的至少一种。
[0022]进一步优选地，上述第一金属电极层和上述第二金属电极层均为惰性电极材料，且惰性电极材料选自W、TiW、TiN、Pt、Ti、Au、Ru、TaN、ITO以及IZO中的至少一种。
[0023]第二方面，本专利技术提供了一种基于奥式阈值开关的非易失存本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于奥式阈值开关的非易失存储操作方法，其特征在于，包括擦除操作，包括以下步骤：S1、对奥式阈值开关施加脉冲信号，以读取其初始阈值电压V
th0
，并获取所述奥式阈值开关初始状态下的关态电阻值R
ini
；S2、对所述奥式阈值开关重复施加reset脉冲来增大其关态电阻值，直至其关态电阻值与R
ini
之比大于第一预设比值，从而实现擦除操作；其中，所述关态电阻值为所述奥式阈值开关在预设固定电压下的电阻值；所述预设固定电压的取值范围为V
th0
/2的邻域范围；所述reset脉冲为单向脉冲。2.根据权利要求1所述的非易失存储操作方法，其特征在于，若所述步骤S1之前，所述奥式阈值开关未经过第一次导通，则在所述步骤S1之前，对所述奥式阈值开关施加直流电压扫描，使其完成第一次导通。3.根据权利要求1所述的非易失存储操作方法，其特征在于，所述reset脉冲的脉宽范围为10
‑
500ns，幅值范围为2
‑
10V。4.根据权利要求1
‑
3任意一项所述的非易失存储操作方法，其特征在于，还包括写入操作，具体包括：当所述奥式阈值开关的关态电阻值大于R
ini
与第一预设比值的乘积时，对所述奥式阈值开关重复施加set脉冲来减小其关态电阻值，直至其关态电阻值与R
ini
之比小于第二预设比值，从而实现写入操作；其中，所述set脉冲为单向脉冲，其脉宽大于所述reset脉冲的脉宽、且其幅值小于所述reset脉冲的幅值。5.根据权利要求4所述的非易失存储操作方法，其特征在于，所述set脉冲的脉宽范围为1
‑
50μs，幅值范围为1
‑
4V。6.根据权利要求4所述的非易失存储操作方法，其特征在于，还包括读取操作，具体包括：对所述奥式阈值开关施加预设电压，从而实现读取操作；其中，所述预设电压大于电压V
low
、且小于电压V
high
；所述电压V
low
大于当所述奥式阈值开关的关态电阻值为R
ini
与所述第二预设比值的乘积时的阈值电压；所述电压V
high

【专利技术属性】
技术研发人员：童浩，温晋宇，缪向水，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：