非易失存储单元及其操控方法、非易失存储系统技术方案

本发明专利技术公开了一种非易失存储单元及其操控方法、非易失存储系统，存储单元包括依次层叠的第一金属电极层、阈值开关层、第二金属电极层，开关层包含具有阈值转变特性和局部晶态转变特性的硫系半导体化合物，阈值开关层在施加初始正向电操作导通后具有第一阈值电压，随之再施加负向电操作后切换至第二阈值电压，随之再施加正向电操作后又切换回第一阈值电压。通过施加不同极性的电操作实现不同数据的写入，将读电压设置在第一电压阈值和第二电压阈值之间，便能实现数据的读取，由此快速实现数据的存储。且基于局部晶态转变特性，第一阈值电压和第二阈值电压在多次循环操作过程中均可以保证明显的阈值电压窗口，具有高的读准确率和可多次循环的优势。率和可多次循环的优势。率和可多次循环的优势。

【技术实现步骤摘要】
非易失存储单元及其操控方法、非易失存储系统


[0001]本专利技术属于存储设计
，更具体地，涉及一种非易失存储单元及其操控方法、非易失存储系统。

技术介绍

[0002]动态随机存取存储器(Dynamic Random Access 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，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，可以实现更小的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 AccessMenory，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(StaticRandom
‑
>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。目前，已有基于奥式阈值开关的可控的阈值电压变化实现信息存储的相应方案，但是，基于现有方案实现的两个阈值电压态存在阈值窗口小、两个阈值态的稳定性均很差的问题，导致其存在难以重复多次擦写操作，且读取准确率差的问题，因此，需要探索一种在速度和密度上足以匹配DRAM且可重复进行多次擦写的存储结构。

技术实现思路

[0005]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非易失存储单元及其操控方法、非易失存储系统，其目的在于提出一种存储速度快且尺寸小且可重复进行多次擦写的存储结构及其操控方法。
[0006]为实现上述目的，按照本专利技术的第一个方面，提供了一种非易失存储单元，包括：
[0007]依次层叠的第一金属电极层、阈值开关层、第二金属电极层，所述开关层包含具有阈值转变特性和局部晶态转变特性的硫系半导体化合物，所述阈值开关层在施加初始正向电操作导通后具有第一阈值电压，在施加正向电操作之后再施加负向电操作导通，阈值电压由第一阈值电压切换至第二阈值电压，在施加负向电操作之后再施加正向电操作导通，阈值电压由第二阈值电压切换至第一阈值电压，其中，第一阈值电压小于第二阈值电压。
[0008]在其中一个实施例中，所述硫系半导体化合物包括Ge
x
Te1‑
x
、Ge
x
Se1‑
x
、 Ge
x
Sb1‑
x
、
Ga
x
Te1‑
x
、Ga
x
Se1‑
x
、Ge
x
S1‑
x
中的任一种化合物，其中，0.2≤x≤0.5。
[0009]在其中一个实施例中，所述硫系半导体化合物还具有掺杂元素，所述掺杂元素包括C、N、B、In、Sb、As中的一种或多种。
[0010]在其中一个实施例中，所述第一金属电极层和所述第二金属电极层均为惰性电极材料，所述惰性电极材料包括W、TiW、TiN、Pt、Ti、Au、Ru、 TaN、ITO或IZO中的至少一种。
[0011]按照本专利技术的第二个方面，提供了一种非易失存储系统，包括操控电路和非易失存储单元，所述非易失存储单元为上述的非易失存储单元，所述操控电路包括作用于所述非易失存储单元的写入电路和读取电路，其中：
[0012]所述写入电路用于当接收到写第一数据指令后，向指定的非易失存储单元施加正向电操作以使对应的非易失存储单元导通并在导通后具有第一阈值电压；
[0013]所述写入电路用于当接收到写第二数据指令后，向指定的非易失存储单元施加负向电操作以使对应的非易失存储单元导通并在导通后具有第二阈值电压；其中，所述第一数据和第二数据中的一个为“0”，另一个为“1”；
[0014]所述读取电路用于当接收到读取指令后，向指定的非易失存储单元施加读取电压并判断对应的非易失存储单元是否导通，所述读取电压处于所述第一阈值电压和所述第二阈值电压之间的电压区间，以施加读取电压之后非易失存储单元呈导通状态作为读取结果是第一数据，以施加读取电压之后非易失存储单元呈关断状态作为读取结果是第二数据。
[0015]按照本专利技术的第三个方面，提供了一种非易失存储单元的操控方法，所述非易失存储单元为上述的非易失存储单元，所述操控方法包括：
[0016]当接收到写第一数据指令后，向指定的非易失存储单元施加正向电操作以使对应的非易失存储单元导通并在导通后具有第一阈值电压；
[0017]当接收到写第二数据指令后，向指定的非易失存储单元施加负向电操作以使对应的非易失存储单元导通并在导通后具有第二阈值电压；其中，所述第一数据和第二数据中的一个为“0”，另一个为“1”；
[0018]当接收到读取指令后，向指定的非易失存储单元施加读取电压并判断对应的非易失存储单元是否导通，所述读取电压处于所述第一阈值电压和所述第二阈值电压之间的电压区间，以施加读取电压之后非易失存储单元呈导通状态作为读取结果是第一数据，以施加读取电压之后非易失存储单元呈关断状态作为读取结果是第二数据。
[0019]在其中一个实施例中，以施加正向电操作使对应的非易失存储单元具有第一阈值电压为写入数据“1”，以施加负向电操作使对应的非易失存储单元具有第二阈值电压为写入数据“0”。
[0020]在其中一个实施例中，所述第二阈值电压和所述第一阈值电压之间的差值大于0.5V，不同次施加正向电操作导通后所得的第一阈值电压之间的差值小于0.2V，不同次施加负向电操作导通后所得的第二阈值电压之间的差值小于0.2V。
[0021]在其中一个实施例中，所述读取电压的极性与所述正向电操作的极性相同。
[0022]在其中一个实施例中，所述正向电操作和所述负向电操作的电扫描类型为直流扫描或脉冲扫描，所述脉冲扫描的波形为方波或三角波或梯形波。
[0023]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
[0024]本专利技术提出了本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种非易失存储单元，其特征在于，包括：依次层叠的第一金属电极层、阈值开关层、第二金属电极层，所述开关层包含具有阈值转变特性和局部晶态转变特性的硫系半导体化合物，所述阈值开关层在施加初始正向电操作导通后具有第一阈值电压，在施加正向电操作之后再施加负向电操作导通，阈值电压由第一阈值电压切换至第二阈值电压，在施加负向电操作之后再施加正向电操作导通，阈值电压由第二阈值电压切换至第一阈值电压，其中，第一阈值电压小于第二阈值电压。2.如权利要求1所述的非易失存储单元，其特征在于，所述硫系半导体化合物包括Ge
x
Te1‑
x
、Ge
x
Se1‑
x
、Ge
x
Sb1‑
x
、Ga
x
Te1‑
x
、Ga
x
Se1‑
x
、Ge
x
S1‑
x
中的任一种化合物，其中，0.2≤x≤0.5。3.如权利要求2所述的非易失存储单元，其特征在于，所述硫系半导体化合物还具有掺杂元素，所述掺杂元素包括C、N、B、In、Sb、As中的一种或多种。4.如权利要求2所述的非易失存储单元，其特征在于，所述第一金属电极层和所述第二金属电极层均为惰性电极材料，所述惰性电极材料包括W、TiW、TiN、Pt、Ti、Au、Ru、TaN、ITO或IZO中的至少一种。5.一种非易失存储系统，包括操控电路和非易失存储单元，其特征在于，所述非易失存储单元为权利要求1至4任一项所述的非易失存储单元，所述操控电路包括作用于所述非易失存储单元的写入电路和读取电路，其中：所述写入电路用于当接收到写第一数据指令后，向指定的非易失存储单元施加正向电操作以使对应的非易失存储单元导通并在导通后具有第一阈值电压；所述写入电路用于当接收到写第二数据指令后，向指定的非易失存储单元施加负向电操作以使对应的非易失存储单元导通并在导通后具有第二阈值电压；其中，所述第一数据...

【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：