[发明专利]驱动电阻转变型存储器实现多值存储的电路及方法

说明书

技术领域

本发明涉及微电子器件及存储器技术领域，尤其是一种利用电容驱动 电阻转变型存储器实现多值存储的电路及方法。

背景技术

消费类电子产品市场爆炸式的增长，使得非挥发半导体存储器(目前 以闪存为代表)的市场飞速的增长，预计其市场总值将很快超过动态随机 存储器。但是，基于浮栅结构的传统非易失性存储器在尺寸缩小化方面正 遇到走越来越大的困难。这主要是因为，浮栅型存储器通过在多晶硅浮栅 中存储或擦除电荷由此改变MOS管的阈值电压来实现信息的记录。为了 能将电荷保存在浮栅中10年以上，隧穿氧化层的厚度不能过度减小，在 浮栅存储器缩小化过程中，这一隧穿氧化层几乎没有减小，使浮栅存储器 在65nm以下遇到了缩小化技术瓶颈。同时这样的隧穿氧化层厚度又限制 了浮栅存储器的编程和擦除速度的提高。因此，以高密度、低功耗、快操 作速度为特征的下一代非挥发性半导体存储器成为目前的科研热点，其候 选技术包括相变存储器(PCRAM)、铁电存储器(FeRAM)、磁存储器 (MRAM)和阻变存储器(ReRAM)。

电阻转变存储器(resistive random access memory)技术是以材料的电 阻在电压的控制下可以在多阻态之间实现可逆转换为基础的。已有多种类 型的材料体系被证明具有电阻转变特性：(1)有机聚合物，如聚酰亚胺 (PI)、AIDCN以及CuTCNQ等；(2)多元金属氧化物，如磁阻材料 Pr0.7Ca0.3MnO3和La0.7Ca0.3MnO3等，掺杂的SrTiO3和SrZrO3等；(3) 二元过渡族金属氧化物，如NiO、Nb2O5、CuOx、ZrO2、HfO2、Ta2O5、 TiO2等；(4)固态电解液材料，如CuS，AgS，AgGeSe等。其中二元过 渡金属氧化物因其组分简单，与传统的CMOS工艺技术兼容性而受到了特 别的重视，非常有可能应用于电阻转变型存储器中。电阻转变器件一般制 做成MIM(金属-转变材料层-金属)形的三夹层结构，两边是金属电极， 中间是具有电阻转变功能的材料层。

电阻转变型存储器分双极性、单极性和无极性三类。双极性器件要求 驱动电阻由高变低和由低变高的电压极性相反，而单极性的则相同，无极 性的正反电压都可以。目前对电阻转变的机制还没有定论，最普遍的一种 理论是认为在高电场作用下，薄膜内部形成了连通两边电极的导电细丝， 从而使器件变为低电阻。当细丝中通过大电流时，会产生足够的焦耳热， 破坏导电细丝，器件又回复到高电阻状。但是也有其它的解释机制，如认 为电阻改变是由功能材料与电极介面处的肖特基势垒高度的改变引起以 及材料内部电荷陷阱捕获或释放电荷引起。已经有很多研究表明电阻转变 过程中，对器件施加的能量与最后的电阻状态有密切的关系。多值存储是 当前电阻转变型存储器研究的重要议题之一，已经制做出很多电阻型器 件，在适当的电压作用下，能够达到多种阻值的状态。

发明内容

(一)要解决的技术问题

用简单的驱动方式实现电阻转变型存储器的多值存储，即每个存储单 元存储多个比特信息。因为电阻转变型存储器以电阻值来存储信息，如果 器件的电阻能够处于多个稳定的电阻态，就可以实现多值存储。但是驱动 电阻型器件在各阻态之间转换需要一定的电压条件，例如最大电流限定值 或脉冲驱动个数。已有的研究结果表明，电阻转变型存储器所转变到的电 阻态与受到的电信号激励量(电流或能量)密切相关。如果用充有不同电 能的电容去驱动相同的电阻转变型器件，因为施加的驱动能量不同，因此 就能驱动电阻转变型存储器实现多值存储。有鉴于此，本发明的主要目的 在于提供一种利用电容驱动电阻转变型存储器实现多值存储的电路及方 法，以实现多值存储。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种利用电容驱动电阻转变型存储器 实现多值存储的电路，该电路由多个用以存储电能且具有不同容值的电 容、多个电压源、一电阻转变型存储器和一开关转换电路构成，所述多个 电容通过开关转换电路连接于所述多个电压源和所述电阻转变型存储器。

上述方案中，所述开关转换电路将某一电容耦连至某一电压源，使所 述电容充电存储电能，该存储电能的电容通过所述开关转换电路转接到电 阻转变型存储器，对该电阻转变型存储器施加电激励，使该电阻转变型存 储器发生电阻转变，同时自身电压在放电过程中不断减小直到接近零。