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1、(10)申请公布号 CN 103578532 A (43)申请公布日 2014.02.12 CN 103578532 A (21)申请号 201210271871.8 (22)申请日 2012.08.01 G11C 11/56(2006.01) (71)申请人 旺宏电子股份有限公司 地址 中国台湾新竹科学工业园区力行路 16 号 (72)发明人 李峰旻 林昱佑 李明修 (74)专利代理机构 中科专利商标代理有限责任 公司 11021 代理人 任岩 (54) 发明名称 存储装置的操作方法与存储器阵列及其操作 方法 (57) 摘要 本发明公开了一种存储装置的操作方法与存 储器阵列及其操作方法。存储。
2、装置的操作方法包 括以下步骤 ： 使存储装置处在设定状态， 方法包 括提供第一偏压至存储装置 ； 读取存储装置的设 定状态， 方法包括提供第二偏压至该存储装置 ； 提供回复偏压至存储装置 ； 提供回复偏压的步骤 是在提供第一偏压的步骤或提供第二偏压的步骤 之后进行。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 4 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书5页 附图4页 (10)申请公布号 CN 103578532 A CN 103578532 A 1/1 页 2 1. 一种存储装置的操作方法， 包括 ： 使一存储装置处在设定状。
3、态， 方法包括提供一第一偏压至该存储装置 ； 读取该存储装置的设定状态， 方法包括提供一第二偏压至该存储装置 ； 以及 提供一回复偏压至该存储装置， 其中提供该回复偏压的步骤是在提供该第一偏压的步 骤或提供该第二偏压的步骤之后进行。 2. 根据权利要求 1 所述的存储装置的操作方法， 其中提供该回复偏压的步骤是在提供 该第一偏压的步骤与提供该第二偏压的步骤之间进行。 3. 根据权利要求 1 所述的存储装置的操作方法， 其中提供该回复偏压的步骤是在提供 该第一偏压的步骤与提供该第二偏压的步骤之后进行。 4. 根据权利要求 1 所述的存储装置的操作方法， 其中该回复偏压的极性是相反于该第 一偏压的。
4、极性与该第二偏压的极性。 5. 根据权利要求 1 所述的存储装置的操作方法， 其中该第一偏压大于、 等于用以使该 存储装置处在设定状态的一第一阈值电压， 该第二偏压大于、 等于用以读取该存储装置的 设定状态的一第二阈值电压。 6. 根据权利要求 1 所述的存储装置的操作方法， 其中该存储装置具有一第一阈值电压 与一第二阈值电压， 该第一阈值电压与该第二阈值电压具有相同的极性， 该第一阈值电压 的绝对值不同于该第二阈值电压的绝对值。 7. 根据权利要求 6 所述的存储装置的操作方法， 其中该第一阈值电压为使该存储装置 处在设定状态的阈值电压， 该第二阈值电压为读取该存储装置的设定状态的阈值电压。。
5、 8. 根据权利要求 6 所述的存储装置的操作方法， 其中该第一阈值电压的绝对值大于该 第二阈值电压的绝对值。 9. 一种存储器阵列的操作方法， 包括 ： 使电性连接在一字线与一位线之间的一双端电极的存储装置处在设定状态， 方法包括 通过该字线与该位线提供一第一偏压至该双端电极的存储装置 ； 读取该双端电极的存储装置的设定状态， 方法包括通过该字线与该位线提供一第二偏 压至该双端电极的存储装置 ； 以及 通过该字线与该位线提供一回复偏压至该双端电极的存储装置， 其中提供该回复偏压 的步骤是在提供该第一偏压的步骤或提供该第二偏压的步骤之后进行。 10. 一种存储器阵列， 包括多个存储单元， 其中。
6、该多个存储单元各包括 ： 一第一导线 ； 一第二导线 ； 以及 一存储装置， 包括 ： 一第一电极层， 电性连接至该第一导线 ； 一第二电极层， 电性连接至该第二导线 ； 以及 一固态电解质结构， 邻接在该第一电极层与该第二电极层之间， 其中该第二电极层为 移动金属离子的来源， 该多个移动金属离子可移动至该固态电解质结构中。 权 利 要 求 书 CN 103578532 A 2 1/5 页 3 存储装置的操作方法与存储器阵列及其操作方法 技术领域 0001 本发明是有关于存储装置及其操作方法， 特别是有关于存储器阵列及其操作方 法。 背景技术 0002 随着半导体技术的进步， 电子元件的微缩能。
7、力不断提高， 使得电子产品能够在维 持固定大小， 甚至更小的体积之下， 能够拥有更多的功能。而随着信息的处理量愈来愈高， 对于大容量、 小体积的存储器需求也日益殷切。 0003 目前的可擦写存储器是以晶体管结构配合存储单元作信息的储存， 但是此种存储 器架构随着制造技术的进步， 可微缩性已经达到一个瓶颈。因此先进的存储器架构不断 的被提出， 例如相变化随机存取存储器 (phase change random access memory， PCRAM)、 磁性随机存取存储器 (magnetic random access memory， MRAM)、 电阻式随机存取存储 器 (resistive。
8、 random access memory， RRAM)、 导电桥式随机存取存储器 (conductive bridging RAM， CBRAM) 等等。 0004 然而， 目前存储装置在操作效率上仍需改进。 发明内容 0005 本发明是有关于一种存储装置的操作方法与存储器阵列及其操作方法， 可提升存 储装置的操作效率。 0006 本发明提供了一种存储装置的操作方法， 方法包括以下步骤 ： 使存储装置处在设 定状态， 方法包括提供第一偏压至存储装置 ； 读取存储装置的设定状态， 方法包括提供第二 偏压至该存储装置 ； 提供回复偏压至存储装置 ； 提供回复偏压的步骤是在提供第一偏压的 步骤或提。
9、供第二偏压的步骤之后进行。 0007 本发明提供了一种存储器阵列的操作方法， 方法包括以下步骤 ： 使电性连接在字 线与位线之间的双端电极的存储装置处在设定状态， 方法包括通过字线与位线提供第一偏 压至双端电极的存储装置 ； 读取双端电极的存储装置的设定状态， 方法包括通过字线与位 线提供第二偏压至双端电极的存储装置 ； 通过字线与位线提供回复偏压至双端电极的存储 装置 ； 提供回复偏压的步骤是在提供第一偏压的步骤或提供第二偏压的步骤之后进行。 0008 本发明提供了一种存储器阵列， 存储器阵列包括多个存储单元， 存储单元各包括 第一导线、 第二导线与存储装置 ； 存储装置包括第一电极层、 第。
10、二电极层与固态电解质结 构 ； 第一电极层电性连接至第一导线 ； 第二电极层电性连接至第二导线 ； 固态电解质结构 邻接在第一电极层与第二电极层之间 ； 第二电极层为移动金属离子的来源 ； 移动金属离子 可移动至固态电解质结构中。 0009 下文特举较佳实施例， 并配合所附图式， 作详细说明如下 ： 附图说明 说 明 书 CN 103578532 A 3 2/5 页 4 0010 图 1 为根据一实施例的存储装置的示意图。 0011 图 2 为根据一实施例的存储装置的示意图。 0012 图 3 为根据一实施例的存储装置的示意图。 0013 图 4 为根据一实施例的存储器阵列的示意图。 0014。
11、 图 5 为一实施例中存储装置的电性图。 0015 图 6 为一比较例中存储装置的电性图。 0016 【主要元件符号说明】 0017 102、 202 存储装置 ； 104、 204 第一电极层 ； 106、 206 第二电极层 ； 108 固态 电解质结构 ； 110 第一固态电解质层 ； 112 第二固态电解质层 ； 114 导电桥 ； 216 存 储单元 ； 218 第一导线 ； 220 第二导线。 具体实施方式 0018 图 1 绘示根据一实施例的存储装置 102 的剖面图。存储装置 102 包括第一电极层 104、 第二电极层 106 与固态电解质结构 108。固态电解质结构 108。
12、 包括第一固态电解质层 110与第二固态电解质层112。 第一固态电解质层110邻接在第一电极层104与第二固态电 解质层 112 之间。第二固态电解质层 112 邻接在第一固态电解质层 110 与第二电极层 106 之间。实施例并不限于使用具有两个固态电解质层的固态电解质结构 108。于其他实施例 中， 固态电解质结构 ( 未显示 ) 可具有单一个固态电解质层。 0019 请参照图 1， 于实施例中， 第一电极层 104 为不易提供移动金属离子的导体。第二 电极层106为移动金属离子的来源， 其中移动金属离子可移动至固态电解质结构108中。 第 一固态电解质层 110 与第二固态电解质层 1。
13、12 可为介电材料。第一固态电解质层 110 的介 电系数可大于第二固态电解质层 112 的介电系数。第一固态电解质层 110 对于移动金属离 子的可溶性可大于第二固态电解质层 112 对于移动金属离子的可溶性。第二电极层 106 对 于移动金属离子的可溶性可大于第二固态电解质层 112 对于移动金属离子的可溶性。举例 来说， 第一电极层 104 可包括高导电性材料例如铂 (Pt)。第二电极层 106 可包括含有移动 金属的锗锑碲化物 (Germanium Antimony Telluride ； GST) 的高导电性材料， 例如 Cu-GST、 Au-GST、 Zn-GST 等等， 其中例如。
14、 Cu、 Au、 Zn 是用作移动金属。第一固态电解质层 110 可包括 氧化铪 (Hf-oxide)、 氧化锆 (Zr-oxide)、 或氧化钽 (Ta-oxide)。第二固态电解质层 112 可 包括氧化硅、 氮化硅、 或氮氧化硅。 0020 请参照图1， 于一实施例中， 存储装置102可具有第一阈值电压Vt1、 第二阈值电压 Vt2、 第三阈值电压Vt3与第四阈值电压Vt4。 于实施例中， 第一阈值电压Vt1为使存储装置 102 处在设定状态的阈值电压 Vt-set。第二阈值电压 Vt2 为读取存储装置 102 的设定状态 的阈值电压 Vt-read set。第三阈值电压 Vt3 为使存。
15、储装置 102 处在复位状态的阈值电压 Vt-reset。 第四阈值电压Vt4为读取存储装置102的复位状态的阈值电压Vt-read reset。 于一实施例中， 第一阈值电压Vt1、 第二阈值电压Vt2与第四阈值电压Vt4具有相同的极性， 例如皆为正电压。第三阈值电压 Vt3 可具有相反的极性， 例如负电压。于实施例中， 第一阈 值电压 Vt1 的绝对值大于第二阈值电压 Vt2 的绝对值。这里所指的阈值电压可以第二电极 层 106 相对于第一电极层 104 作讨论。 0021 请参照图 1， 于一实施例中， 存储装置 102 为双端电极的存储装置， 例如导电桥式 说 明 书 CN 10357。
16、8532 A 4 3/5 页 5 随机存取存储器 (Conductive Bridging RAM ； CBRAM)。实施例的存储装置 102 可应用混 合型离子电子导体 (Mixed-ionic-electronic-conduction ； MIEC)、 双向定限交换 (Ovonic Threshold Switch， OTS) 材料等等。 0022 以下利用图 1 至图 3 说明存储装置 102 的操作方法。这里所指的偏压可以第二电 极层 106 相对于第一电极层 104 作讨论， 举例来说， 当第一电极层 104 接地时， 偏压等于施 加在第二电极层 106 的电压。 0023 存储装。
17、置 102 的操作方法包括使存储装置 102 处在设定状态。 0024 于实施例中， 使存储装置 102 处在设定状态的方法包括提供第一偏压 BV1 至如图 1 所示的存储装置 102。第一偏压 BV1 的绝对值是实质上大于、 等于用以使存储装置 102 处 在设定状态的第一阈值电压 Vt1 的绝对值。如此， 使得移动金属离子从第二电极层 106 移 动至第二固态电解质层112与第一固态电解质层110， 而形成邻接在第一电极层104与第二 电极层 106 之间的导电桥 114， 如图 2 所示， 因此存储装置 102 具有电性导通的特性。 0025 使存储装置 102 处在设定状态的方法可包括。
18、在存储装置 102 具有导电特性之后， 停止提供第一偏压 BV1 至存储装置 102， 例如使第一偏压 BV1 为零， 或不施加任何电压至第 一电极层 104 与第二电极层 106， 以使导电桥 114 中的移动金属离子自发性地移出第二固 态电解质层 112 而断裂， 如图 3 所示， 断裂的程度为第二固态电解质层 112 中实质上不存在 移动金属离子， 因此存储装置 102 具有电性阻断的特性。移动金属离子自发性地移出第二 固态电解质层 112 是由于移动金属离子被第一固态电解质层 110 与第二电极层 106 吸收所 致， 其中第一固态电解质层 110 与第二电极层 106 对于移动金属离。
19、子的可溶性可大于第二 固态电解质层 112 对于移动金属离子的可溶性。 0026 在使存储装置 102 处在设定状态的步骤中， 通过移动金属离子自发性地移出第二 固态电解质层 112 而使导电桥 114 断裂 ( 图 3)， 断裂的程度为第二固态电解质层 112 中实 质上不存在移动金属离子， 且使存储装置 102 具有电性阻断的特性并不是非常快速， 而是 需要花费特定的缓冲时间 (relaxation time)， 这缓冲时间会影响存储装置 102 的效率， 也 可能导致存储器阵列中未选择的存储装置 102 在缓冲时间内发生漏电流的问题。因此， 在 实施例中， 在提供第一偏压 BV1 以形成。
20、邻接在第一电极层 104 与第二电极层 106 之间的导 电桥 114， 且存储装置 102 具有电性导通的特性 ( 如图 2 所示 ) 之后， 是提供回复偏压 Vr1 至存储装置 102， 以加速导电桥 114 从第二固态电解质层 112 断裂 ( 如图 3) 的效率。如此 能提升存储装置 102 的设定效率， 也能避免漏电流的问题。于一实施例中， 回复偏压 Vr1 的 极性是相反于第一偏压 BV1 的极性。举例来说， 第一偏压 BV1 为正电压， 回复偏压 Vr1 为负 电压。在实施例中， 提供回复偏压 Vr1 的步骤可在停止提供第一偏压 BV1 的瞬间立即施行， 或在停止提供第一偏压 B。
21、V1 后一可接受的时间 ( 小于缓冲时间 ) 内进行。 0027 于实施例中， 在使在使存储装置102处在设定状态之后， 是读取存储装置102的设 定状态。 0028 读取存储装置102的设定状态的方法包括提供第二偏压BV2至存储装置102， 以使 如图 3 所示具有电性阻断的特性的存储装置 102， 其断裂的导电桥 114 与来自第二电极层 106的移动金属离子堆积、 连接成如图2所示的邻接在第一电极层104与第二电极层106之 间的导电桥 114， 而变成具有电性导通的特性。于实施例中， 第二偏压 BV2 的绝对值是实质 上大于、 等于用以读取存储装置 102 的设定状态的第二阈值电压 V。
22、t2 的绝对值。于一实施 说 明 书 CN 103578532 A 5 4/5 页 6 例中， 第二偏压 BV2 的极性是相同于第一偏压 BV1 的极性， 例如为正电压。 0029 读取存储装置 102 的设定状态的方法可包括在存储装置 102 具有导电特性之后， 停止提供第二偏压 BV2 至存储装置 102， 例如使第二偏压 BV2 为零， 或不施加任何电压至第 一电极层 104 与第二电极层 106， 以使图 2 所示的导电桥 114 中的移动金属离子自发性地 移出第二固态电解质层 112 而断裂， 如图 3 所示， 断裂的程度为第二固态电解质层 112 中实 质上不存在移动金属离子， 因。
23、此存储装置 102 具有电性阻断的特性。移动金属离子自发性 地移出第二固态电解质层112是由于移动金属离子被第一固态电解质层110与第二电极层 106吸收所致， 其中第一固态电解质层110与第二电极层106对于移动金属离子的可溶性可 大于第二固态电解质层 112 对于移动金属离子的可溶性。 0030 在读取存储装置 102 的设定状态的步骤中， 通过移动金属离子自发性地移出第二 固态电解质层 112 而使导电桥 114 断裂 ( 图 3)， 断裂的程度为第二固态电解质层 112 中实 质上不存在移动金属离子， 且使存储装置 102 具有电性阻断的特性并不是非常快速， 而是 需要花费特定的缓冲时。
24、间 (relaxation time)， 这缓冲时间会影响存储装置 102 的读取效 率、 读取准确度与读取总量 (read through-put)， 也可能导致存储器阵列中未选择的存储 装置 102 在缓冲时间内发生漏电流的问题。因此， 在实施例中， 在提供第二偏压 BV2 以形成 邻接在第一电极层104与第二电极层106之间的导电桥114， 且存储装置102具有电性导通 的特性 ( 如图 2 所示 ) 之后， 是提供回复偏压 Vr2 至存储装置 102， 以加速导电桥 114 从第 二固态电解质层 112 断裂 ( 如图 3) 的效率。如此能提升存储装置 102 的读取效率、 读取准 确。
25、度与读取总量， 也能避免漏电流的问题。于一实施例中， 回复偏压 Vr2 的极性是相反于第 二偏压 BV2 的极性。举例来说， 第二偏压 BV2 为正电压， 回复偏压 Vr2 为负电压。在实施例 中， 提供回复偏压Vr2的步骤可在停止提供第二偏压BV2的瞬间立即施行， 或在停止提供第 二偏压 BV2 后一可接受的时间 ( 小于缓冲时间 ) 内进行。 0031 于实施例中， 在读取存储装置102的设定状态之后， 是使存储装置102处在复位状 态。 0032 使存储装置 102 处在复位状态的方法包括提供第三偏压 BV3 至存储装置 102， 以 使固态电解质结构 108 中的移动金属离子实质上全部。
26、被吸引回第二电极层 106 中， 而回复 存储装置 102 成如图 1 所示的情况。于实施例中， 第三偏压 BV3 的极性是相反于第一偏压 BV1 的极性与第二偏压 BV2 的极性。举例来说， 第三偏压 BV3 是负电压。第三偏压 BV3 的绝 对值是实质上大于、 等于存储装置 102 的第三阈值电压 Vt3 的绝对值。于实施例中， 回复偏 压 Vr1、 Vr2 的极性相同于第三偏压 BV3 的极性。回复偏压 Vr1、 Vr2 的绝对值小于第三偏压 BV3 的绝对值。 0033 于实施例中， 在使在使存储装置102处在复位状态之后， 是读取存储装置102的复 位状态。 0034 读取存储装置 。
27、102 的复位状态的方法可包括提供第四偏压 BV4 至存储装置 102， 以使如图 1 所示具有电性阻断的特性的存储装置 102， 从第二电极层 106 中移出移动金属 离子至固态电解质结构 108 中， 而形成如图 2 所示的邻接在第一电极层 104 与第二电极层 106 之间的导电桥 114， 转而变成具有电性导通的特性。于实施例中， 第四偏压 BV4 的极性 是相反于第三偏压 BV3 的极性。举例来说， 第四偏压 BV4 为正电压。第四偏压 BV4 的绝对 值是实质上大于、 等于存储装置 102 的第四阈值电压 Vt4 的绝对值。在一些实施例中， 读取 说 明 书 CN 10357853。
28、2 A 6 5/5 页 7 存储装置 102 的复位状态的方法可包括在存储装置 102 具有导电特性之后， 停止提供第四 偏压 BV4 至存储装置 102。 0035 实施例的存储装置 102 的操作方法可应用在各种双端电极的存储装置， 例如导电 桥式随机存取存储器 (Conductive Bridging RAM ； CBRAM)、 混合型离子电子导体 (Mixed-i onic-electronic-conduction ； MIEC)、 双向定限交换 (Ovonic Threshold Switch， OTS) 材 料等等。 0036 图 4 绘示根据一实施例的存储器阵列。存储器阵列包括。
29、多个存储单元 216。存储 单元 216 各包括第一导线 218、 第二导线 220 与存储装置 202。存储装置 202 可类似图 1 所 示的存储装置102。 于一实施例中， 存储装置202为双端电极的存储装置， 例如CBRAM。 存储 装置 202 的第一电极层 204 被电性连接至第一导线 218。存储装置 202 的第二电极层 206 电性连接至第二导线 220。第一导线 218 可为字线与位线其中之一。第二导线 220 可为字 线与位线其中之另一。 0037 请参照图4， 存储器阵列的操作方法利用第一导线218与第二导线220施加偏压至 存储装置202， 以进行如图1至图3说明的设。
30、定、 复位、 读取、 施加回复偏压等等的步骤， 并感 测读取的存储装置 202， 同时避免漏电流的问题发生在未选择的存储装置 202 中。 0038 请参照图 4， 在一实施例中， 第一导线 218 与第二导线 220 之间只有电性连接存储 装置 202， 因此能实现纯的单一个电阻交叉阵列 (pure 1R cross-point array)， 并不需要 使用额外的驱动、 存取装置。因此， 存储器阵列可具有高的元件密度与低的制造成本。 0039 图5为一实施例中存储装置的电性图， 其中在第一次正的读取偏压(1st read)与 第二次正的读取偏压 (2st read) 之间有施加负的回复偏压。
31、。从图 5 可发现， 即使两次读 取偏压施加时间的间隔很短， 存储装置在施加第二次读取偏压仍具有临界切换 (threshold switching) 的特性。 0040 图 6 为一比较例中存储装置的电性图， 其中在第一次正的读取偏压 (1st read) 与第二次正的读取偏压 (2st read) 之间并没有施加负的回复偏压。从图 6 可发现， 即使 两次读取偏压施加时间的间隔很长， 存储装置在施加第二次读取偏压仍不具有临界切换 (threshold switching) 的特性。 0041 虽然本发明已以较佳实施例揭露如上， 然其并非用以限定本发明， 任何熟悉此项 技艺者， 在不脱离本发明的精神和范围内， 当可做些许更动与润饰， 因此本发明的保护范围 当视随附的权利要求范围所界定的为准。 说 明 书 CN 103578532 A 7 1/4 页 8 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103578532 A 8 2/4 页 9 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103578532 A 9 3/4 页 10 图 5 说 明 书 附 图 CN 103578532 A 10 4/4 页 11 图 6 说 明 书 附 图 CN 103578532 A 11 。