一种电阻转换存储器及其存储操作方法

专利名称：：一种电阻转换存储器及其存储操作方法
技术领域：
：本发明属于集成电路
技术领域：
，具体涉及一种电阻转换存储器及对这种存储器进行存储操作的方法。更具体地说，本发明涉及以相变材料(如Ge2Sb2Tes)或者二元以上(包括二元)的多元金属氧化物(如CuxOKxS2、WOx2^xS3、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、钜的氧化物等)作为存储介质并且存储单元中有两个存储电阻共享同一个选通器件的电阻转换存储器及其存储操作方法。
背景技术：
：存储器在半导体市场中占有重要的地位，由于便携式电子设备的不断普及，不挥发存储器在整个存储器市场中的份额也越来越大，其中90%以上的份额被FLASH占据。但是由于存储电荷的要求，FLASH不能随技术代发展无限制拓展，有报道预测FLASH技术的极限在32nm左右，这就迫使人们寻找性能更为优越的下一代不挥发存储器。最近电阻转换存储器(resistiveswitchingmemory)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[11、掺杂的SrZr03[2]、铁电材料PbZrTiO，、铁磁材料Pn.xCaxMn03，二元金属氧化物材料[5]、有机材料[6]等。二元金属氧化物(如Nb205，Al203,Ta205,TixO,NixO[5]，0^0[7]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l(a)(b)分别示出了传统的1T1R存储单元的电路结构图和物理结构剖面示意图。每个存储单元110中有一个存储电阻104和一个选通器件100，存储电阻104与选通器件100的一端102直接连接，图b中TE和BE分别代表电阻104的上电极和下电极。在示意图中选通器件100采用MOSFET(金属氧化物场效应晶体管)器件，存储电阻104的另一端与位线(简写为BL)102相连。位线102与字线101共同作用就选中交叉处的单个电阻104进行存储操作。选通器件100使得电信号只对耦合在字线一位线交叉对之间的单个电阻进行操作，而不会对其它的存储单元产生串扰。这种结构的特点是不同存储单元之间，在存储操作中的相互干扰小，但是选通器件必须制作在硅片衬底上，占用硅片面积。而1个选通器件只能控制一个存储电阻。然而，随着存储器密度的提高，每个存储单元的选通器件由于尺寸的限制无法提供足够强的写信号(写操作电压或者写操作电流)，造成对存储电阻写操作的失败。针对这一问题，本发明提出相应的解决方法。
发明内容本发明提供一种电阻转换存储器件及相应的存储操作方法，可以解决选通器件在存储器密度提高的情况下无法提供足够强的写操作信号的问题。本发明提出的电阻转换存储器件，以相变材料(如Ge2Sb2Tes)或者二元以上(包括二元)的多元金属氧化物作为存储电阻，包括数条字线，数条位线，以及数个存储单元，每个存储单元中都包括两个的存储电阻，这些存储电阻的第一电极都与同一个选通器件连接，该选通器件可以是双极型晶体管(bipolartransistor)或者是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或者是二极管，并通过该选通器件与称为字线的导线耦连；这些存储电阻的第二电极与不同的称为位线的导线耦连，形成在同一个存储单元中两个存储电阻共享同一个选通器件的结构。上述结构中，同一存储单元中的不同存储电阻可以位于多层互连金属线层上，每一层互连金属线层和与之连接的存储介质所在的层构成一个复合层，不同复合层在垂直方向进行层叠，相邻复合层间通过位于通孔中的金属塞连接，形成三维的存储阵列。本发明结构中，同一存储单元中，第一电极与同一选通器件相连的不同存储电阻，其第二电极与多路选择器中的不同选通器件连接，这些选通器件可以是双极型晶体管(bipolartransistor)或者金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，并通过这些与之连接的选通器件进一步与不同的位线连接，从而实现存储电阻第二电极与不同位线的耦连。本发明所述的相变材料可以是Ge2Sb2Tes等。本发明所述的二元或者二元以上的多元金属氧化物可以是CuxOKx^2、W(X2^xS3、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、Pri-xCaxMn03。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，不应视作对本发明的限制。本发明提出对以上存储器进行写操作的方法。在写操作之前先预读存储单元中的数据，将所读取的内容与拟写入数据进行比较，若存储单元的数据与拟写入数据相同，不进行写操作，否则不进行写操作。改变上述存储单元中的数据的具体方法为低阻态和高阻态都有分布范围。在要使电阻由低阻变成高阻的时候，当目标存储电阻的值大于高阻分布范围的最小值，则认为写操作成功，在要使电阻由高阻变为低阻的时候，当目标存储电阻的值小于低阻分布范围的最大值，则认为写操作成功。在上述存储器中，存储电阻为两端器件，在进行写操作时，采用适当的电信号进行由高阻到低阻操作(复位操作)和由低阻到高阻的操作(置位操作)。本发明提出对以上存储器进行读操作的方法。进行读操作时，在所选中位线上加适当读电流，这样会在所选位线上产生相应的读出电压，把这个读出电压与参考电压经过灵敏放大器的比较放大获得存储单元的内容。本发明还提供一种包含本发明所述电阻转换存储器的系统，它包括一个处理器，以及与所述处理器通信的输入和输出，以及耦连到该处理器的存储器件；所说存储器件为本发明提供的电阻转换存储器件。包括数个存储单元，每个存储单元中都包括两个或两个以上存储电阻，这些存储电阻的第一电极都与同一个选通器件连接，这些选通器件可以是双极型晶体管(bipolartransistor)或者是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或者是二极管，并通过该选通器件与称为字线的导线耦连，存储电阻的第二电极与不同的称为位线的导线耦连，形成若干个存储电阻共享同一个选通器件的结构，等等。图1为目前报道的电阻转换存储器是基于传统的1T1R存储单元，其等效电路图(a)和结构剖面图(b)。图2为本发明的电阻转换存储器存储单元的一个实施例图示。图3为1T2R存储单元实施例的结构剖面。图4为1T2R存储单元形成的存储阵列的部分电路图。图5为根据本发明的一个实施例的系统的一部分图示。图6为根据本发明的又一个实施例的系统的一部分图示。图中标号110代表传统的1T1R存储单元，101代表选通器件的控制端，102代表存储电阻的上极板，104代表存储电阻，102代表存储电阻的下极板，IOO代表选通器件，200代表本发明所提出的1T2R存储单元，201、202分别代表存储电阻，203代表选通器件的控制端，801代表局部位线译码器，802代表选通管，501代表行译码驱动，702代表灵敏放大器/驱动器，500代表系统，501代表控制器，502代表无线接口，504代表输入输出(I/O)装置，503代表存储器，505代表总线。具体实施例方式在下文中结合图示在参考实施例中更完全地描述本发明，本发明提供优选实施例，但不应该被认为仅限于在此阐述的实施例。相反，提供这些实施例以便此公开是彻底的和完全的，将本发明的范围完全传递给相关领域的技术人员。在此参考图是本发明的理想化实施例的示意图，本发明所示的实施例不应该被认为仅限于图中所示的区域的特定形状。应当理解，当称一个元件在"另一个元件上"或"在另一个元件上延伸"时，这个元件可以直接在"另一个元件上"或直接"在另一个元件上延伸"，或也可能存在插入元件。相反，当称一个元件直接在"另一个元件上"或直接"在另一个元件上延伸"时，不存在插入元件。当称一个元件与"另一个元件连接"或"与另一个元件耦接"时，这个元件可以直接连接或耦接到另一个元件，或也可以存在插入元件，相反，当称一个元件直接与"另一个元件连接"或直接"与另一个元件耦接"时，不存在插入元件。本发明涉及以相变材料或者二元以上(包括二元)的多元金属氧化物作为存储介质并且存储单元中两个存储电阻共享同一个选通器件的电阻转换存储器及其存储操作方法。这里所述的存储单元的概念是指选通器件和与之连接的存储电阻所构成的复式存储单元。为便于阐述，约定存储单元是指该复式结构。下面参考图2来说明本发明提出的电阻转换存储器件的1个实施例。图2示出了存储单元200的等效电路图，包括1个选通器件100和两个存储电阻，存储电阻分别为201、202，在图示中选通器件100采用金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，该选通器件也可以是双极型晶体管(bipolartransistor)或者二极管，两个存储电阻的第一电极均与选通器件100的同一端S直接相连，第二电极则分别与不同的位线BL-O、BL-1耦连。选通器件与字线WL一O耦连，在本实施例中是通过MOSFET的控制端203与字线相连。字线一位线的每个交叉与一个单独的存储单元相关联。这样形成了两个存储电阻共享同一个选通器件的结构，相应于传统的1T1R结构，以下我们简称这个结构为1T2R结构。注意，这里T代表选通器件，而不是专指晶体管。选通器件的种类的变化不应视作对本发明的限制。采用这种结构，可以在相同硅片面积情形下，增加选通器件的尺寸，提高选通选通器件的驱动能力。图3给出了1T2R存储单元的实施例的结构剖面图，通过该图阐述一个存储单元中的两个存储电阻位于不同的金属互连线平面上。图3中示出1个存储单元中两个存储电阻201、202共享同一选通器件100(图中为MOSFET)的情形，存储电阻位于通孔的顶部并与上层金属线直接连接，存储电阻所在层及与其连接的金属线所在的层定义为一个复合层，同一存储单元中的存储电阻可位于不同的复合层上，图3中两个电阻位于两个复合层上，存储电阻201所在的层与其连接的上层金属引线层构成第二复合层，而存储电阻202所在的平面与其连接的上层金属引线层构成第一复合层。复合层在垂直方向上层叠，构成三维结构。不同复合层间通过通孔中的金属塞连接。图4给出了本发明存储器一个实施例中采用1T2R结构存储单元所形成电阻转换存储器阵列的一部分的电路图。电阻转换存储器阵列包括n条相互平行的字线和m条相互平行的位线，字线和位线相互垂直。m条相互平行的位线包括m条相互平行的全局位线GBL0，GBL1，GBL2......GBLm禾卩m条相互平行的局部位线LBL0，LBL1，LBL2......LBLm，全局位线和局部位线分别连接至选通管的两端，选通管的控制端连接至局部位线译码器801,如图所示全局位线GBL0和局部位线LBL0连接至选通管802的两端，选通管802的控制端连接至局部位线译码器801。存储单元位于一条字线与两条局部位线的交叉区，如图示中存储单元200位于字线WL0与局部位线LBL0，LBL1形成的交叉区。每个字线-局部位线交叉对应一个存储电阻。以对存储电阻201进行操作为例来进行说明，选通器件100在行译码驱动501输出信号的控制之下导通，局部位线译码器801进行译码，801的输出使选通器件802打开，从而操作电流的通路为选通器件802，目标存储电阻201，选通器件100。这样就选中字线WLO和局部位线LBLO交叉点对应的电阻201进行操作。对存储单元的读写操作与传统的电阻转换存储器的方法相同。以对存储电阻201的操作为例，在进行写操作时，先选中阵列中的存储电阻201(选择方法前面己经介绍)，然后通过图4中的灵敏放大器/驱动器702在存储电阻201对应的全局位线上施加写操作的电信号(写电压或者写电流)，由于在此发明中，两个存储电阻共享一个选通器件，这个选通器件的尺寸就可以大一点，约为传统方法中选通器件尺寸的两倍，选通器件表现出来的电阻就会小一点，选通器件的分压会相应小一点，整个通路的电流也会相应大一点，因此最终通过存储电阻写电流或者落在存储电阻两端的写电压会相应大一点，写操作成功的可能性会相应增加很多。在进行读操作时，先选中阵列中的存储电阻201，然后通过图4中的灵敏放大器/驱动器702在存储电阻201对应的全局位线上施加适当的读电流，由于电阻存储器在不同状态的电阻值不一样，因此对应的全局位线就会表现出不同的读出电压值，利用灵敏放大器/驱动器702将这个读出电压与参考电压(大小介于两种电阻状态读出电压之间)比较放大，得到所选存储电阻的内容。参考图5，本发明提供的系统的一个实施例，系统500，可包括一控制器501，输入输出(I/O)装置504、存储器503、总线505。参考图6，本发明提供的系统的又一个实施例，系统500，可包括一控制器501，输入输出(I/O)装置504、存储器503、总线505，还包括通过总线505彼此耦合的无线接口502。应当注意，本发明的范围并不限于具有这些部件的任何一种或具有所有这些部件的实施例。控制器501可包括一个或多个微处理器、数字信号处理器、微控制器等。存储器503可用存储传输到系统500或由系统500传送的信息，还可用于存储指令。存储器503可以由一种或多种不同类型的存储器组成，例如快闪存储器和/或包含一种如本发明所说明的存储器件，其结构特征为采用二元或者二元以上的多元金属氧化物作为存储电阻；以及数个存储单元，每个存储单元中都包括两个或两个以上存储电阻，每个存储电阻的第一电极都与同一个选通器件连接，第二电极与不同的位线耦连，形成若干个存储电阻共享同一个选通器件的结构。参考文献J.Maimon,E.Spall,R.Quinn，S.Schnur,"Chalcogenide-basednonvolatilememorytechnology",尸ra"W"gso/JenwpaceCo—rence,p.2289,2001.[2]C.Y.Liu,RH.Wu,A.Wang,W.Y.Jang，J.C.Young,K.Y.Chiu,andT.YTseng,"Bistableresistiveswitchingofasputter-depositedCr-dopedSrZr03memoryfilm",五Z)丄vol.26,p.351,2005.[3]J.R.Contreras,H.Kohlstedt,U.Pooppe,R.Waser,C.Buchal，andN.A.Pertsev,"Resistiveswitchinginmetal-ferroelectric-metal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技术领域：
，具体为一种电阻转换存储器及对这种存储器进行存储操作的方法。采用相变材料(如Ge₂Sb₂Te₅)或者二元以上(包括二元)的多元金属氧化物(如Cu_xO1＜x≤2、WO_x2≤x≤3、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)作为存储电阻，每个存储单元中都包括两个存储电阻，每个存储电阻的第一电极都与同一个选通器件连接，第二电极与不同的位线耦连，形成同一存储单元中若干个存储电阻共享同一个选通器件的结构。这种存储器不仅大大提高存储集成密度，而且提供更强的写操作信号。文档编号H01L27/115GK101359503SQ20081004093公开日2009年2月4日申请日期2008年7月24日优先权日2008年7月24日发明者吴雨欣,廖启宏,佶张,乐徐,林殷茵,胡倍源,薛晓勇申请人:复旦大学