[发明专利]三维阻变式随机读取存储器

说明书

本发明提出一种三维阻变式随机读取存储器（3D‑RRAM）。阻变式随机读取存储（RRAM）阵列(0A)含有一条哑字线和多条哑位线。只有位于哑字线和哑位线交叉处的存储元被编程；其它所有哑存储元均未编程。读取数据时，哑字线和一条数据字线的上电压同时上升到读电压。本发明还提出了各种参考电压的产生方法。

技术领域

本发明涉及集成电路存储器领域，更确切地说，涉及阻变式存储器（RRAM）。

背景技术

三维阻变式存储器（3D-RRAM）是一种非易失性半导体存储器，它包括有多个在垂直方向上堆叠的RRAM存储单元。相对于传统平面型RRAM的存储元分布在二维平面上，3D-RRAM的存储元分布在三维立体空间中，具有容量大，速度快、能耗低等优点。此外， 3D-RRAM能够进行多次编程，断电数据不会丢失，适用于当前的电子存储设备。

典型的阻变式存储器（RRAM）由两个金属电极夹一个薄介电层组成，介电层作为离子传输和存储介质。选用材料的不同会对实际作用机制带来较大差别，但本质都是经由外部刺激（如电压）引起存储介质离子运动和局部结构变化，进而造成电阻变化，并利用这种电阻差异来存储数据。图1A-图1D显示了四种状态的RRAM，其阻变材料22分别处于四种状态：’0’, ‘1’, ‘2’, ‘3’。 每个RRAM存储元（如1aa）含有一顶电极30a、一底电极20a、一阻变器22和一准导通膜24。在阻变器进行变成后（图1A-图1D）转变为有不同阻值的电阻。准导通膜24具有如下特性：当外加电压的数值小于读电压或外加电压的方向与读电压相反时，准导通膜的电阻远大于其在读电压下的电阻。

已编程的存储元1aa-1ad，他们其中有不同的导体丝（conducive filament）。由于存储元1aa的阻值最大，导体丝极细，所以其可以等效为无导体丝。存储元1ab-1ad中的阻变器22中形成了具有不同大小的导体丝25x-25z。其中，存储元1ab中的导体丝25x最细，其电阻在所有已编程阻变器中最大；存储元1ad中的导体丝25z最粗，其电阻在所有已编程反熔丝膜中最小；存储元1ac中的导体丝25y介于存储元1ab和1ad之间，其电阻也介于两者之间。

图2描述了一种典型3D-RRAM 00。它含有一个半导体衬底0和两个堆叠在衬底0上方的RRAM存储层100、200。其中，存储层200叠置在存储层100上。半导体衬底0中的晶体管及其互连线构成一衬底电路（包括3D-RRAM的周边电路）。每个存储层（如100）含有多条地址线（包括字线20a、20b…和位线30a、30b…）和多个RRAM存储元（如1aa-1bb…）。每个存储层（如100）还含有多个RRAM阵列。接触通道孔（如20av、30av）将地址线（如20a、30a）和衬底0耦合。一般说来，每个RRAM存储元只存储一位信息。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种容量更大的3D-RRAM。

本发明的另一目的是提供一种哑位线所需资源较少的3D-RRAM。

为了实现这些以及其他的目的，本发明提出一种多位元三维阻变式存储器（多位元3D-RRAM）。它包含多个堆叠在衬底上方并与该衬底耦合的RRAM存储元。阻变式存储器结构简单，它是由一个二极管和一个阻变器组成,利用高电压改变材料的阻值的大小, 即擦/写要存储的信息 ,然后用一个适当的小电压读取存储的信息。通过改变编程电流电压，使阻变材料呈现不同的阻值。RRAM存储元具有N（N2）种状态：0，1，… N-1。按其电阻从大到小排列为R₀、R₁... R_N-1，其中，R₀为状态’0’的电阻，R₁为状态’1’的电阻，…R_N-1为状态’N-1’的电阻。由于N2，每个RRAM存储元存储多位（1位）信息。