[发明专利]非挥发性半导体存储器及其存储操作方法

说明书

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，具体而言，本发明涉及非挥发性半导体存储器及其存储操作方法。 

背景技术

在半导体市场中，存储器所占的份额在40％以上。由于便携式电子设备的不断普及，非挥发存储器(NVM)的市场需求迅速增长。闪存(FLASH)是目前非挥发存储器市场上的主流器件。但随着微电子技术节点不断向前推进，基于电荷存储机制的闪存技术遭遇诸如隧穿层不能随技术代发展无限减薄以及与嵌入式系统集成等严重的技术瓶颈，迫使人们寻求下一代新型非挥发存储器。电阻随机存储器(Resistive Random Access Memory)因其具有简单的器件结构、低压低功耗操作、擦写速度快和极佳的尺寸缩小性等优势，并且其材料与当前CMOS工艺兼容等特点引起高度关注。众多的材料体系被报道具有电阻转变特性，如有机材料[1]，固态电解液材料[2]，多元金属氧化物[3]，二元金属氧化物[4]等。在这些材料体系中，二元金属氧化物(ZrO2、HfO2、NiO、TiO2、Ta2O5、CuOx等)由于在组分精确控制、与CMOS工艺兼容性的潜在优势更加受到青睐。 

图1是已报道的电阻存储器存储单元的I-V特性曲线的示意图，分别表示出初始阻态为高电阻时的置位状态以及初始阻态为低电阻时的复位状态，电压扫描方向如图中箭头所示，置位时电压曲线为101；复位时电压扫描曲线为102。在电脉冲作用下，电阻由较高阻态突变到一个较低阻态，称作置位，达到设定状态后，电流不再随电压的继续增加而增加；而复位操作时，电流会突然减小，表明存储电阻由较低阻态突变到一个较高阻态。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。 

图2是电阻存储器中理想化的单极和双极性电流电压曲线，电阻的转变发生在同一极性上，称为单极性转变；图2(a)左图为单极性操作示意图，101-102为复位操作，103-105为置位操作。图2(a)右图为另一个方向上的单极性操作示意图，201-202为复位操作，203-205为置位操作。图2(b)为双极性操作的示意图，置位和复位操作在电压的两个方向上进行，304-305为复位操作，301-303为置位操作。 

图3是在电阻存储器中经常发生的置位复位不稳定现象[5]，因为在置位和复位中采取电脉冲具有相似性，复位成功后，不及时停止对器件的脉冲激励很容易在余下的复位脉冲中发生二次置位，这种置位与复位交叉的不稳定现象对于器件反复擦写极为不利，容易导致器件失效。 

因此，有必要提出有效的技术方案，解决存储单元在进行复位操作时复位置位不稳定现象。 

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一，特别是通过在存储单元上增加限压管，抑制电阻转变存储器件在复位操作过程中再次发生置位的不稳定现象。 

本发明实施例一方面提出了一种非挥发性半导体存储器，包括：字线、位线、限压器件和存储单元， 

所述存储单元位于字线和位线的交叉区域，所述存储单元包括存储电阻和选通器件，所述存储电阻为二元及二元以上的多元金属氧化物，所述存储器件的上电极与所述限压器件相连接，所述限压器件的另一端与位线相连接。 

本发明实施例另一方面还提出了一种对上述的非挥发性半导体存储器的存储操作方法，包括读操作、擦除复位操作和写置位操作， 

所述读操作，通过对所述选通器件的控制，限制所述读操作时通过所述存储单元的电流； 

所述擦除复位操作，将所述存储单元进行器件编程到一个相反的状态； 

所述写置位操作，采用相同极性的电压对所述存储单元进行编程操作， 将所述存储单元中的数据进行读操作，将读操作得出的数据与拟写入数据进行比较，当存储单元中的数据与拟写入数据在同一个范围内，则进行擦除复位操作；当存储单元中的数据与拟写入数据在不同范围内，则将这些存储单元中的数据编程为相反状态。 

本发明提出的上述方案，相对于传统存储单元而言，限压器件的增加对存储单元的置位操作没有影响，限压管的引入避免了复位时电压无限制增大从而在复位过程中又再次发生置位操作的现象。这种选通器件与限压器件之间连接阻变存储器的结构既可以防止在置位操作中电流的过冲现象，又能抑制在复位操作中的复位与置位交叉的不稳定现象，可以大大提高器件性能的可靠性。 

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。 

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：