[发明专利]一种基于阻性存储器的多位存储结构及其读写操作方法

说明书

技术领域

本发明属于计算机存储技术领域，更具体地，涉及一种基于阻性存储器的多位存储结构及其读写操作方法。

背景技术

随着计算机技术和微电子技术的不断发展，我们正迈向一个全新的信息社会，而信息社会与信息的存储是密切相关的。近半个世纪以来，在人们对存储技术的不断探索中，半导体非易失性存储器（Non-Volatile Semiconductor Memory）因为具有断电后仍能保存信息的特点而成为存储领域的研究热点，其中Flash存储器成为了现在的主流存储器。但是，随着半导体工业向32nm技术代或者更小的方向推进的过程中，Flash存储器等比例缩小越来越困难，人们开始把精力投入到搜寻新的非易失性存储器中，相变存储器（Phase Change Memory,PCM）、铁电存储器（Ferroelectric Random Access Memory,FeRAM）、磁存储器（Magnetic Random Access Memory,MRAM）以及阻性存储器（Resistive Random Access Memory，RRAM）都属于新兴的新型非易失性存储器。其中，RRAM具有存储单元器件结构简单，优秀的可缩小性，读写速度快以及功耗低等特点，因此被认为是下一代非易失性存储器最有力的竞争者。

为了充分利用RRAM存储结构简单和优秀的可缩小性，在RRAM研究之初，人们提出了交叉阵列（crossbar）结构，这种结构被认为是RRAM最有前景的应用结构，如图1所示。交叉阵列结构具有结构简单、高密度存储和易大规模集成以及功能节点灵活的特点。这种结构充分利用了RRAM优秀的可缩小性，使得存储单元面积可以做到4F²（F为特征线宽），这就极大地提高了RRAM的存储密度（density）。再者，通过共享字线或者位线，可以形成三维的多层集成，这样每个存储单元的面积变为4F²/n。其中，n为集成的层数（Jo S H,Kim K H,Lu W.High-density crossbar arrays based on a Si memristive system[J].Nano letters,2009,9(2):870-874.）。其中，crossbar结构由多个RRAM存储单元排列而成，包括字线101、位线102以及存储单元节点103。图1仅表示了crossbar结构的一层，通过共享字线或者位线，可以达到3D存储结构。图2是单个RRAM存储单元节点的结构，图中上电极202、下电极201以及RRAM介质层203组成了RRAM的存储单元。图2中204是RRAM存储单元阻值变化所表现出迟滞变化的I-V曲线图，这种迟滞现象的产生是由于施加在存储单元的两端电压的变化所导致的。上电极202和下电极201分别与电压源的两端相连通，电极可以是任何导电的材料，比如金属。作为介质层的材料可以是任何具有阻变效应的材料，比如金属氧化物。有些有机化合物也具有阻变特性，也可以作为介质层203的材料。举例而言，对于由TiN/HfO_x/Pt组成的RRAM器件，其中TiN和Pt分别为RRAM存储单元的上下电极，HfO_x为RRAM存储单元的介质层，即分别对应图2中的202、201和203。图2中RRAM存储单元的介质层203的阻值具有可逆变化，即在施加正向电压时，在有效操作电压范围内，随着施加电压脉冲个数的增加，介质层材料的电阻会变小，即从高阻态变为低阻态；同样，在施加反向电压时，在有效的操作电压范围内，随着施加电压脉冲个数的增加，介质层的电阻会增大，即从低阻态变为高阻态。