[发明专利]可变电阻式随机存取存储器

说明书

一种可变电阻式随机存取存储器，其不会降低可靠度并且具有较佳面积效率。本发明的可变电阻式存储器包括以行列方向配列多个存储器单元MC的存储器阵列。存储器单元MC具有可变电阻元件和存取晶体管。在各列方向的晶体管栅极连接至字线WL，在各行方向的可变电阻元件的一侧电极可与位线BL结合，在各行方向的可变电阻元件的另一侧电极可与源极线SL结合。源极线SL包含局部源极线250，其在与多个位线BL0/BL1/BL2/BL3正交的方向上延伸，并且由多个位线BL0/BL1/BL2/BL3所共有。

技术领域

本发明是有关于一种使用可变电阻元件的可变电阻式随机存取存储器，特别是有关于存储器阵列的结构。

背景技术

使用可变电阻元件的可变电阻式存储器目前相当受到重视，可以用来取代快闪存储器作为非挥发性存储器。可变电阻式存储器是一种将脉冲电压施加于可变电阻元件上、通过可逆并且非挥发性地将可变电阻元件设定在高电阻态或低电阻态，用以记录数据的存储器。可变电阻式存储器的优点包括：可以使用低电压来改写数据，所以消耗电力比较少；另外是采用一个晶体管加上一个电阻这样比较简单的结构，单元面积约是较小的6F2(F是配线宽，数十nm左右)，所以可以达到高密度化；又读取时间与 DRAM一样高速，在10纳秒左右(专利文献1、2等)。

在可变电阻式随机存取存储器(RRAM：注册商标)中，一般是将可变电阻元件写入低电阻态的情况称为设定(SET)操作，写入高电阻态的情况称为重置(RESET)操作。可变电阻式存储器包含单极性类型和双极性类型。单极性类型在设定操作和重置操作时，在可变电阻元件上所施加的写入电压极性是同相的，而是通过改变写入电压的大小来进行设定操作或者是重置操作。单极性类型由于存储器阵列可以是非对称结构，所以制造比较容易。另一方面，双极性类型在设定操作和重置操作时，在可变电阻元件上所施加的写入电压极性是反相的。亦即，需要在可变电阻元件的两侧方向施加写入电压，也就需要电路的对称性，因此存储器阵列的制造也会比单极性来得复杂。

图1A表示非专利文献1所揭露的双极性类型可变电阻式存储器中存储器阵列结构的电路图。在存储器阵列10中，多个存储器单元是依平面阵列状所形成，不过图中仅例示3列×3行的部分存储器单元。一个存储器单元MC是由一个可变电阻元件以及与其串联的一个存取晶体管所构成，亦即所谓的1T×1R结构。存取晶体管的栅极连接到字线WL(n-1)、WL(n)、WL(n+1)，漏极区连接到可变电阻元件的一侧电极，源极区连接到源极线SL(n-1)、SL(n)、SL(n+1)。可变电阻元件的另一侧电极则连接到位线BL(n-1)、BL(n)、BL(n+1)。

可变电阻元件可以由例如氧化铪(HfOx)等等过渡金属的薄膜氧化物所构成，利用写入脉冲电压的极性和大小，进行设定操作和重置操作。存储器单元能够以位为单位，随机地进行存取。例如存取存储器单元MC时，通过列解码器(column decoder)20选择字线WL(n)，使得存储器单元MC的存取晶体管导通，并通过行解码器(row decoder)30选择位线BL(n)、源极线SL(n)。在写入操作中，将对应于设定或重置操作的写入电压施加于选择位线BL(n)和选择源极线SL(n)；在读取操作中，对应于可变电阻元件状态为设定或重置的电压或电流，会呈现在选择位线BL(n)和选择源极线 SL(n)上，可以通过感测电路进行检测。

另外，当使用氧化铪(HfOx)等金属氧化物薄膜做为可变电阻元件材料时，必须要对金属氧化物进行形成操作(forming)作为初期设定。一般在形成操作中，通过在薄膜上施加比写入可变电阻元件时稍微大的电压Vf，让可变电阻元件在例如低电阻态，亦即接近设定(SET)的状态。这样的形成操作是在可变电阻式存储器出货前实施。