[發明專利]三維阻變式隨機讀取存儲器

在審

• 申請號: 202010052642.1
• 申請日: 2020-01-17
• 公開（公告）號: CN113140247A
• 公開（公告）日: 2021-07-20
• 發明（設計）人: 張國飆;張國興;翟正軍;于洪宇;周生明;郭躍進
• 申請（專利權）人: 南方科技大學
• 主分類號: G11C13/00
• 分類號: G11C13/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提出一種三維阻變式隨機讀取存儲器（3D?RRAM）。阻變式隨機讀取存儲（RRAM）陣列(0A)含有一條啞字線和多條啞位線。只有位于啞字線和啞位線交叉處的存儲元被編程；其它所有啞存儲元均未編程。讀取數據時，啞字線和一條數據字線的上電壓同時上升到讀電壓。本發明還提出了各種參考電壓的產生方法。

技術領域

本發明涉及集成電路存儲器領域，更確切地說，涉及阻變式存儲器（RRAM）。

背景技術

三維阻變式存儲器（3D-RRAM）是一種非易失性半導體存儲器，它包括有多個在垂直方向上堆疊的RRAM存儲單元。相對于傳統平面型RRAM的存儲元分布在二維平面上，3D-RRAM的存儲元分布在三維立體空間中，具有容量大，速度快、能耗低等優點。此外， 3D-RRAM能夠進行多次編程，斷電數據不會丟失，適用于當前的電子存儲設備。

典型的阻變式存儲器（RRAM）由兩個金屬電極夾一個薄介電層組成，介電層作為離子傳輸和存儲介質。選用材料的不同會對實際作用機制帶來較大差別，但本質都是經由外部刺激（如電壓）引起存儲介質離子運動和局部結構變化，進而造成電阻變化，并利用這種電阻差異來存儲數據。圖1A-圖1D顯示了四種狀態的RRAM，其阻變材料22分別處于四種狀態：’0’, ‘1’, ‘2’, ‘3’。 每個RRAM存儲元（如1aa）含有一頂電極30a、一底電極20a、一阻變器22和一準導通膜24。在阻變器進行變成后（圖1A-圖1D）轉變為有不同阻值的電阻。準導通膜24具有如下特性：當外加電壓的數值小于讀電壓或外加電壓的方向與讀電壓相反時，準導通膜的電阻遠大于其在讀電壓下的電阻。

已編程的存儲元1aa-1ad，他們其中有不同的導體絲（conducive filament）。由于存儲元1aa的阻值最大，導體絲極細，所以其可以等效為無導體絲。存儲元1ab-1ad中的阻變器22中形成了具有不同大小的導體絲25x-25z。其中，存儲元1ab中的導體絲25x最細，其電阻在所有已編程阻變器中最大；存儲元1ad中的導體絲25z最粗，其電阻在所有已編程反熔絲膜中最小；存儲元1ac中的導體絲25y介于存儲元1ab和1ad之間，其電阻也介于兩者之間。

圖2描述了一種典型3D-RRAM 00。它含有一個半導體襯底0和兩個堆疊在襯底0上方的RRAM存儲層100、200。其中，存儲層200疊置在存儲層100上。半導體襯底0中的晶體管及其互連線構成一襯底電路（包括3D-RRAM的周邊電路）。每個存儲層（如100）含有多條地址線（包括字線20a、20b…和位線30a、30b…）和多個RRAM存儲元（如1aa-1bb…）。每個存儲層（如100）還含有多個RRAM陣列。接觸通道孔（如20av、30av）將地址線（如20a、30a）和襯底0耦合。一般說來，每個RRAM存儲元只存儲一位信息。

發明內容

本發明的主要目的是提供一種容量更大的3D-RRAM。

本發明的另一目的是提供一種啞位線所需資源較少的3D-RRAM。

為了實現這些以及其他的目的，本發明提出一種多位元三維阻變式存儲器（多位元3D-RRAM）。它包含多個堆疊在襯底上方并與該襯底耦合的RRAM存儲元。阻變式存儲器結構簡單，它是由一個二極管和一個阻變器組成,利用高電壓改變材料的阻值的大小, 即擦/寫要存儲的信息 ,然后用一個適當的小電壓讀取存儲的信息。通過改變編程電流電壓，使阻變材料呈現不同的阻值。RRAM存儲元具有N（N2）種狀態：0，1，… N-1。按其電阻從大到小排列為R₀、R₁... R_N-1，其中，R₀為狀態’0’的電阻，R₁為狀態’1’的電阻，…R_N-1為狀態’N-1’的電阻。由于N2，每個RRAM存儲元存儲多位（1位）信息。