[发明专利]绿色晶体管、电阻随机存储器及其驱动方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别是涉及一种绿色晶体管、电阻随机存储器及其驱动方法。

背景技术

当前，开发成本低、速度快、存储密度高、制造简单且与当前的互补金属氧化物（CMOS）半导体集成电路工艺兼容性好的新型存储技术受到世界范围的广泛关注。基于具有电阻开关特性的金属氧化物的电阻式随机存取存储器(Resistive Random Access Memory，RRAM简称为电阻随机存储器)的内存技术是目前多家器件制造商开发的重点，因为这种技术可以提供更高密度、更低成本与更低耗电量的非易失性内存。RRAM的存储单元在施加脉冲电压后电阻值会产生很大变化，这一电阻值在断开电源后仍能维持下去。此外，RRAM具有抗辐照、耐高低温、抗强振动、抗电子干扰等性能。

RRAM包括多个存储单元组成存储器阵列，如图1所示，给出了典型的RRAM的一个存储单元结构，其中每个存储单元包括一个选通管2以及一个存储电阻1，形成1T1R的结构（T：transistor，R：Resistor），其中选通管2多用场效应晶体管MOSFET进行存储器单元的选中以及读写操作。所述存储电阻1一端连接位线3，另一端与选通管2的漏极连接；选通管2的栅极与字线4连接，而源极接地。在RRAM中，数据值为0或1对应于于存储电阻1的阻态，而在存储单元中通过电流脉冲可以改变存储电阻1的阻值，假设存储电阻1为高阻态时对应数据值定义为1，则低阻态时对应数据值为0，下面结合图2所示的电阻随机存储器读写机制示意图，对现有的1T1R结构的电阻随机存储器的读写操作机制做进一步介绍。

在进行写操作时，先将位线3置为较高电压V_H，此时在存储单元的两侧存在较大电势差，但由于选通管2未导通，因此存储单元中未有电流通过。然后通过字线4短暂开启选通管2，使得存储单元中通过能量较大的电流脉冲，从而改变存储电阻1的阻态，比如从高电阻变为低电阻或者从低电阻变为高电阻，即可改变存储单元的数据值。

在进行读操作时，先将位线3置为较低电压V_L，然后通过字线4开启选通管2，即该存储单元被选中，由于存储电阻1两侧的电势差较低，因此流过的电流不足以改变存储电阻1的阻态，但可以根据电流的大小判断当前存储单元中存储电阻1的阻态，若电流较小则存储电阻1为高阻态，读得存储单元的数据值定义为1，若电流较大则存储电阻1为低阻态，读得存储单元的数据值定义为0。

随着存储器技术的发展以及器件按比例缩小(scaling)的引导下，器件的功耗和功耗密度已经逐渐形成一项亟需解决的问题，导致功耗困难的出现原因是存储器中阵列密度不断增大，而电源电压长期以来保持了以5V作为各级工艺的标准，造成使用MOSFET作为选通管的电阻随机存储器产生大量的无效功耗。因此外置电压源按比例缩小(VDD-scaling)已经愈发成为一个限制电阻随机存储器发展的瓶颈。

目前，有人首次提出这样一种理论和初步试验，在场效应晶体管中使用栅极偏压诱导能带隧穿效应(band to band-tunneling)可以不受外置电压源按比例缩小（VDD-scaling）的限制，载流子在上述效应中无须跨越势垒而是直接经过隧穿实现载流子的移动，形成电流，可以有效降低器件的能耗。基于上述理论，Chenming Hu等人在“VLSI Technology,Systems and Applications,2008.VLSI-TSA2008.International Symposium on”（2008年国际超大型积体电路技术、系统暨应用(VLSI-TSA)研讨会论文集）的第14至15页首次公开了通过采用绿色晶体管（green FET，简称gFET）降低外置电压源，提高晶体管驱动能力的方案，文章名称为“Green Transistor–A VDD Scaling Path for Future Low Power ICs”。