一種基于阻性存儲器的多位存儲結(jié)構(gòu)及其讀寫操作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于阻性存儲器的多位存儲結(jié)構(gòu)，所述多位存儲結(jié)構(gòu)包括依次同向疊放的N個阻性存儲單元，每兩個相鄰疊放的阻性存儲單元之間間隔一層導(dǎo)電的金屬薄膜；每個阻性存儲單元具有高阻態(tài)HRS和低阻態(tài)LRS兩種狀態(tài)，所述整個多位存儲結(jié)構(gòu)具有N+1個阻值狀態(tài)，對應(yīng)N+1個存儲狀態(tài)，其中所述N大于等于2。本發(fā)明還提供了一種基于上述多位存儲結(jié)構(gòu)的讀寫操作方法。本發(fā)明通過同向疊放多個阻性存儲單元，組成了多位存儲結(jié)構(gòu)，從而在提高RRAM存儲器密度的同時也保證了RRAM存儲器的讀寫操作的可靠性。
【專利說明】—種基于阻性存儲器的多位存儲結(jié)構(gòu)及其讀寫操作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于計算機存儲【技術(shù)領(lǐng)域】，更具體地，涉及一種基于阻性存儲器的多位存儲結(jié)構(gòu)及其讀寫操作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著計算機技術(shù)和微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，我們正邁向一個全新的信息社會，而信息社會與信息的存儲是密切相關(guān)的。近半個世紀以來，在人們對存儲技術(shù)的不斷探索中，半導(dǎo)體非易失性存儲器(Non-Volatile Semiconductor Memory)因為具有斷電后仍能保存信息的特點而成為存儲領(lǐng)域的研究熱點，其中Flash存儲器成為了現(xiàn)在的主流存儲器。但是，隨著半導(dǎo)體工業(yè)向32nm技術(shù)代或者更小的方向推進的過程中，F(xiàn)lash存儲器等比例縮小越來越困難，人們開始把精力投入到搜尋新的非易失性存儲器中，相變存儲器(PhaseChange Memory, PCM)、鐵電存儲器(Ferroelectric Random Access Memory, FeRAM)、磁存儲器(Magnetic Random Access Memory, MRAM)以及阻性存儲器(Resistive Random AccessMemory, RRAM)都屬于新興的新型非易失性存儲器。其中，RRAM具有存儲單元器件結(jié)構(gòu)簡單，優(yōu)秀的可縮小性，讀寫速度快以及功耗低等特點，因此被認為是下一代非易失性存儲器最有力的競爭者。
[0003]為了充分利用RRAM存儲結(jié)構(gòu)簡單和優(yōu)秀的可縮小性，在RRAM研究之初，人們提出了交叉陣列(crossbar)結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)被認為是RRAM最有前景的應(yīng)用結(jié)構(gòu),如圖1所示。交叉陣列結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、高密度存儲和易大規(guī)模集成以及功能節(jié)點靈活的特點。這種結(jié)構(gòu)充分利用了 RRAM優(yōu)秀的可縮小性，使得存儲單元面積可以做到4F2 (F為特征線寬)，這就極大地提高了 RRAM的存儲密度(density)。再者，通過共享字線或者位線，可以形成三維的多層集成，這樣每個存儲單元的面積變?yōu)?F2/n。其中，η為集成的層數(shù)(Jo S H，KimK H, Lu ff.High-density crossbar arrays based on a Si memristive system[J].Nanoletters, 2009, 9 (2):870-874.)。其中，crossbar結(jié)構(gòu)由多個RRAM存儲單元排列而成，包括字線101、位線102以及存儲單元節(jié)點103。圖1僅表示了 crossbar結(jié)構(gòu)的一層,通過共享字線或者位線，可以達到3D存儲結(jié)構(gòu)。圖2是單個RRAM存儲單元節(jié)點的結(jié)構(gòu)，圖中上電極202、下電極201以及RRAM介質(zhì)層203組成了 RRAM的存儲單元。圖2中204是RRAM存儲單元阻值變化所表現(xiàn)出遲滯變化的ι-v曲線圖，這種遲滯現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于施加在存儲單元的兩端電壓的變化所導(dǎo)致的。上電極202和下電極201分別與電壓源的兩端相連通，電極可以是任何導(dǎo)電的材料，比如金屬。作為介質(zhì)層的材料可以是任何具有阻變效應(yīng)的材料，比如金屬氧化物。有些有機化合物也具有阻變特性，也可以作為介質(zhì)層203的材料。舉例而言，對于由TiN/Hf0x/Pt組成的RRAM器件，其中TiN和Pt分別為RRAM存儲單元的上下電極，HfOx為RRAM存儲單元的介質(zhì)層，即分別對應(yīng)圖2中的202、201和203。圖2中RRAM存儲單元的介質(zhì)層203的阻值具有可逆變化，即在施加正向電壓時，在有效操作電壓范圍內(nèi)，隨著施加電壓脈沖個數(shù)的增加，介質(zhì)層材料的電阻會變小，即從高阻態(tài)變?yōu)榈妥钁B(tài)；同樣，在施加反向電壓時，在有效的操作電壓范圍內(nèi)，隨著施加電壓脈沖個數(shù)的增加，介質(zhì)層的電阻會增大，即從低阻態(tài)變?yōu)楦咦钁B(tài)。
[0004]自交叉陣列存儲結(jié)構(gòu)提出后，引起了廣泛的關(guān)注，但是人們經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)這樣的結(jié)構(gòu)實際操作性很差，最主要的一個問題就是由于缺乏整流器件與RRAM存儲單元(IR，oneresistor)串聯(lián)，導(dǎo)致電路串?dāng)_十分嚴重，即無法對某個特定的RRAM存儲單元進行準確的讀或者寫操作。因此，接下來關(guān)于交叉陣列的研究方向主要集中在尋找合適的整流元件上。人們提出了幾種整流器件和RRAM存儲單元串聯(lián)的結(jié)構(gòu)。人們首先想到的是利用二極管的單向?qū)ㄐ詠砜刂拼鎯卧倪x通，即一個二極管與RRAM存儲單元串聯(lián)形成交叉陣列結(jié)構(gòu)的存儲節(jié)點，S卩IDlR (one diode, one resistor),如圖3所示。圖3為一個RRAM存儲節(jié)點(resistor) 302與一個二極管(diode) 301串聯(lián)，303表示字線,304表示位線。由于二極管的單向?qū)щ娦?，只允許電流從一個方向流經(jīng)RRAM存儲單元，因此可以消除一部分的串?dāng)_現(xiàn)象。但是這樣也帶來一個問題，就是要求與二極管串聯(lián)的RRAM存儲單元必須屬于單極性RRAM，否則無法正常工作，這在很大程度上限制了 RRAM存儲器的發(fā)展。同時，為了使IDlR結(jié)構(gòu)用于3D集成，且與CMOS工藝兼容，則要求二極管具有足夠大的電流保證RRAM存儲單元阻變效應(yīng)的發(fā)生。一般情況下，為了保證二極管正常工作，當(dāng)二極管的電流密度越大，則要求二極管的散熱性能越好，而二極管的體積越大，則散熱性能越好。于是，為了保證RRAM存儲器高的存儲密度的同時，減小電路的串?dāng)_現(xiàn)象，尋找一個具有足夠大電流密度的二極管成為這個解決方案的研究難點。
[0005]在IDlR結(jié)構(gòu)提出后，ITlR (one transistor one resistor)結(jié)構(gòu)也相繼被提出，即一個晶體管(transistor)與RRAM存儲單元串聯(lián)形成存儲節(jié)點，如圖4所示。圖4為一個RRAM存儲節(jié)點(resistor) 401與一個N型晶體管(transistor)串聯(lián)而成，WL和BL分別表示字線和位線。ITlR結(jié)構(gòu)也能夠有效解決IR存儲節(jié)點的交叉陣列結(jié)構(gòu)所帶來的電路串?dāng)_問題。但是ITlR結(jié)構(gòu)由于晶體管的體積過大而影響了存儲器的存儲密度，這樣就沒有充分利用RRAM優(yōu)秀的可縮小性能這個特點。于是，為了提高ITlR的存儲密度，人們又提出了 ITxR結(jié)構(gòu)，顧名思義，就是一個晶體管控制多個RRAM存儲單元結(jié)構(gòu)的選通。例如，當(dāng)x=4時為1T4R結(jié)構(gòu),如圖5所示，即通過一個晶體管控制四個RRAM存儲單元的選通。圖5為一個N型晶體管502和4個RRAM存儲單元501組成，構(gòu)成了 1T4R存儲節(jié)點結(jié)構(gòu)。其中WL和BL分別表示字線和位線。雖然這種結(jié)構(gòu)較圖3中的IDlR結(jié)構(gòu)和圖4中的ITlR結(jié)構(gòu)而言，提高了存儲器的存儲密度，也在一定程度上解決了交叉陣列存儲單元串?dāng)_的問題。但是，對于同一個晶體管控制的多個存儲單元來說，串?dāng)_現(xiàn)象仍然存在，且X越大，串?dāng)_越嚴重。
[0006]很顯然，上面幾種結(jié)構(gòu)雖然簡單，但是并不能很好的解決在保證高密度存儲的基礎(chǔ)上準確對RRAM存儲單元進行操作。于是人們開始考慮結(jié)合RRAM自身的特點來尋找解決方法。其中一個方向是利用RRAM自身的特點實現(xiàn)多位存儲?？梢栽O(shè)想，如果采用一個整流器件控制單個RRAM存儲節(jié)點，且每個RRAM存儲節(jié)點不僅僅存儲一個位，而是η個位，這相當(dāng)于η個整流器件控制η個一位存儲的RRAM存儲單元，而此時只需要一個整流器件，則節(jié)省了 η-l個整流器件的面積，且等價的η個一位存儲RRAM存儲單元之間不存在串?dāng)_。
[0007]對于RRAM來說，一般存在高阻態(tài)(High Resistance State, HRS)和低阻態(tài)(LowResistance State，IRS)兩個狀態(tài)。由于高阻態(tài)和低阻態(tài)的阻值相差很大(高阻態(tài)阻值與低阻態(tài)阻值之比一般是103)，因此，RRAM天然具有實現(xiàn)多位存儲的優(yōu)勢。如圖6所示，將RRAM存儲單元的阻值變化范圍進行劃分，左邊陰影部分為低阻態(tài)區(qū)域，右邊陰影部分為高阻態(tài)區(qū)域，中間為不確定區(qū)域。這樣劃分的原因是處于RRAM存儲單元的阻值分散性較明顯，通過確定阻值來判斷RRAM存儲單元的阻值給讀寫電路的設(shè)計帶來了很大的困難。于是，設(shè)定兩個值R_L和R_H，如圖6所示，分別表示低阻態(tài)的閾值和高阻態(tài)的閾值。當(dāng)RRAM存儲單元的阻值小于或者等于R_L，即圖6中左邊陰影所表示的范圍時，認定此時存儲單元處于低阻態(tài)，表示為“O”;同理，當(dāng)RRAM存儲單元的阻值大于或者等于R_H，即圖6中右邊陰影所表示的范圍時，認定此時存儲單元處于高阻態(tài)，表示為“I”。如果RRAM存儲單元的阻值不屬于這兩個范圍之一，即RRAM存儲單元的阻值屬于圖6中不確定區(qū)域時，則無法確定此時存儲器的狀態(tài)是“O”或者“I”。
[0008]舉例而言，對于由TiN/HfOx/Pt組成的RRAM器件，其阻值大部分分布在IO2至105Ω這個范圍內(nèi)，那么可以設(shè)定R_L=1X103Q，R_H=2X104Q。如果測得某一 RRAM存儲單元的阻值r=600Q，由于r〈R_L，則此時該存儲單元處于低阻態(tài)，表示為“O”；若r=2.5 X IO4 Ω，由于r>R_H，則此時該存儲單元處于高阻態(tài)，表示為“ I ”;若r=1500 Ω，則此時存儲單元的狀態(tài)無法分辨。
[0009]根據(jù)RRAM的阻變特性，由高阻態(tài)向低阻態(tài)轉(zhuǎn)換或者由低阻態(tài)向高阻態(tài)進行轉(zhuǎn)換時，RRAM存儲單元的阻值的變化是一個連續(xù)漸變的過程。因此，大多數(shù)關(guān)于RRAM多位存儲的研究，主要集中在通過在RRAM存儲單元兩端施加不同數(shù)目的電壓脈沖信號，使RRAM存儲單元達到不同的阻值的電阻狀態(tài)來實現(xiàn)RRAM的多位存儲。圖7表示將RRAM存儲單元的阻值范圍劃分為多個連續(xù)的更小范圍，而每個小的范圍都表示一種狀態(tài)，圖中一共有四個設(shè)定的范圍，(A, r2), (r3, r4), (r5, r6), (r7, r8),分別表示存儲單元的狀態(tài)00,01,10和11。當(dāng)RRAM存儲單元的阻值不在任何設(shè)定的范圍之一時，則無法判斷其狀態(tài)。這樣，一個RRAM存儲單元相當(dāng)于存儲了兩個比特，達到了多位存儲的目的。
[0010]這種方法雖然實現(xiàn)簡單，但是存在一些缺點。根據(jù)空間電荷限制電流效應(yīng)理論(Space Charge Limited Current, SCLC)可知(Simmons J G J.Phys.D:Appl.Phys., 1971,4:613.)，RRAM存儲單元阻值越低，越容易受到溫度影響，從而導(dǎo)致各個中間狀態(tài)不穩(wěn)定，特別是阻值較低的狀態(tài)。這樣就會影響讀寫過程中對RRAM存儲單元狀態(tài)的判斷，進而影響存儲的性能。進一步分析可知，阻值范圍分的越細，這種情況就會越明顯。同時，對于單存儲單元的多位存儲的讀寫也是一個難點。根據(jù)RRAM的阻變機理可知，在讀操作的過程中，在電信號的作用下，會使得RRAM存儲單元的阻值改生一定的變化，由于各個阻值范圍的邊界值相差不大，改變后的阻值有可能不在原先的阻值狀態(tài)的范圍內(nèi)，此時RRAM存儲單元的狀態(tài)就發(fā)生了變化。由于讀操作可能會影響存儲單元的狀態(tài)，故通過在寫操作過程通過比較阻值判斷RRAM存儲的狀態(tài)是否被成功改寫也不是完全準確的。
[0011]綜合上面的分析可得，雖然利用RRAM的多位存儲能力可以較好的解決選通器件面積與存儲密度之間的矛盾，但是利用將RRAM存儲單元的阻值范圍劃分成多個更小范圍，從而實現(xiàn)RRAM的多位存儲，雖然實現(xiàn)原理簡單，但是實際可操作性較差，不能保證可靠的讀寫。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種基于阻性存儲器的多位存儲結(jié)構(gòu)，在提高阻性存儲器存儲密度的同時，保證阻性存儲器讀寫操作的可靠性。[0013]為了實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種基于阻性存儲器的多位存儲結(jié)構(gòu)，所述多位存儲結(jié)構(gòu)包括依次同向疊放的N個阻性存儲單元，每兩個相鄰疊放的阻性存儲單元之間間隔一層導(dǎo)電的金屬薄膜；每個阻性存儲單元具有高阻態(tài)HRS和低阻態(tài)LRS兩種狀態(tài)，所述整個多位存儲結(jié)構(gòu)具有N+1個阻值狀態(tài)，對應(yīng)N+1個存儲狀態(tài)，其中所述N為大于等于2的自然數(shù)。
[0014]優(yōu)選地，所述阻性存儲單元的個數(shù)為3，所述多位存儲結(jié)構(gòu)具有4種存儲狀態(tài)。
[0015]具體地，所述整個多位存儲結(jié)構(gòu)阻值狀態(tài)為HRS、HRS、HRS,或者LRS、HRS、HRS,或者LRS、LRS、HRS，或者LRS、LRS、LRS，所述多位存儲結(jié)構(gòu)的存儲狀態(tài)分別對應(yīng)為11，或者10，或者01,或者00。
[0016]具體地，所述阻性存儲單元是由上電極、下電極和具有阻變效應(yīng)的材料組成，其中，所述上電極和下電極為導(dǎo)電金屬。
[0017]優(yōu)選地，所述阻性存儲單元的上電極為Pt，下電極為Cu，具有阻變效應(yīng)的材料為HfOx。
[0018]按照本發(fā)明的另一方面，還提供了一種上述多位存儲結(jié)構(gòu)的讀寫操作方法，所述方法包括:
[0019]首先設(shè)定所述多位存儲結(jié)構(gòu)中每個阻性存儲單元的高阻態(tài)和低阻態(tài)的阻值范圍；其次設(shè)定所述多位存儲結(jié)構(gòu)的每種存儲狀態(tài)與每個阻性存儲單元的高阻態(tài)和低阻態(tài)的對應(yīng)關(guān)系；根據(jù)每個阻性存儲單元的高阻態(tài)和低阻態(tài)的阻值范圍，與所述多位存儲結(jié)構(gòu)的每種存儲狀態(tài)與每個阻性存儲單元的高阻態(tài)和低阻態(tài)的對應(yīng)關(guān)系，計算出整個多位存儲結(jié)構(gòu)的每種存儲狀態(tài)的阻值范圍；
[0020]所述讀操作包括:讀取整個多位存儲結(jié)構(gòu)的阻值，判斷該阻值處于多位存儲結(jié)構(gòu)的存儲狀態(tài)的阻值范圍，得到該阻值下的該多位存儲結(jié)構(gòu)的存儲狀態(tài)；
[0021]所述寫操作包括:根據(jù)需要寫入的多位存儲結(jié)構(gòu)的存儲狀態(tài)確定需設(shè)定的多位存儲結(jié)構(gòu)的阻值范圍；讀取多位存儲結(jié)構(gòu)的當(dāng)前阻值，確定多位存儲結(jié)構(gòu)的阻值變化趨勢；根據(jù)阻值變化趨勢，向所述多位存儲結(jié)構(gòu)施加正向電壓脈沖或反射電壓脈沖，每施加一次電壓脈沖則讀取多位存儲結(jié)構(gòu)的阻值，判斷該阻值是否落在需設(shè)定的多位存儲結(jié)構(gòu)的阻值范圍，如果是則寫操作成功；如果否，則繼續(xù)施加電壓脈沖，直至寫操作成功。
[0022]具體地，所述讀取多位存儲結(jié)構(gòu)的當(dāng)前阻值，確定多位存儲結(jié)構(gòu)的阻值變化趨勢；根據(jù)阻值變化趨勢，向所述多位存儲結(jié)構(gòu)施加正向電壓脈沖或反射電壓脈沖為:
[0023]如果多位存儲結(jié)構(gòu)的當(dāng)前阻值小于需設(shè)定的多位存儲結(jié)構(gòu)的阻值范圍，則施加反向電壓脈沖；
[0024]如果多位存儲結(jié)構(gòu)的當(dāng)前阻值大于需設(shè)定的多位存儲結(jié)構(gòu)的阻值范圍，則施加正向電壓脈沖。。
[0025]本發(fā)明采用多層阻性存儲單元的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)RRAM的多位存儲，提高了存儲容量，例如對于三層結(jié)構(gòu)來說具有四個存儲狀態(tài)，每個存儲結(jié)構(gòu)相當(dāng)于存儲了 2個比特，存儲容量相對于單位存儲提高了一倍。這樣，存儲節(jié)點與晶體管串聯(lián)來控制存儲節(jié)點的選通時，由于晶體管的面積遠大于RRAM存儲單元的面積，故相比ITlR結(jié)構(gòu)，以三層四態(tài)結(jié)構(gòu)作為存儲節(jié)點，在提高存儲密度的同時，節(jié)省了一個晶體管的存儲面積。
[0026]同時，相比僅僅只用一個RRAM存儲單元實現(xiàn)多位存儲，本方案具有對基于RRAM的多位存儲單元結(jié)構(gòu)進行可靠性讀寫的優(yōu)點。雖然單個RRAM存儲單元存儲多位存儲密度更大，但是對RRAM存儲單元的狀態(tài)判斷是個難點，無法進行準確的讀寫，不能保證RRAM存儲器讀寫操作的可靠性。
[0027]最后，選擇采用半導(dǎo)體晶體管作為選通器件，可以保證在讀寫操作過程有效解決交叉矩陣帶來的串?dāng)_現(xiàn)象，保證對RRAM存儲器進行準確的讀寫操作。本發(fā)明在提高RRAM存儲器密度的同時也保證了 RRAM存儲器讀寫操作的可靠性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1是基于RRAM的交叉陣列(crossbar)結(jié)構(gòu)示意圖圖；
[0029]圖2是單個RRAM存儲單元結(jié)構(gòu)圖以及其典型的1-V特性曲線；
[0030]圖3是IDlR結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖4是ITlR結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖5是ITxR結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖6是存儲單元的阻值與兩種狀態(tài)的關(guān)系示意圖；
[0034]圖7是存儲單元的阻值與多種狀態(tài)的關(guān)系示意圖；
[0035]圖8是關(guān)于RRAM存儲單元的方向性表示示意圖；
[0036]圖9是本發(fā)明實施例中三層四態(tài)的組成結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037]圖10是本發(fā)明實施例中基于RRAM的三層四態(tài)存儲單元結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0038]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0039]本發(fā)明所講的實現(xiàn)RRAM的多位存儲的三層四態(tài)存儲單元結(jié)構(gòu)設(shè)計，結(jié)構(gòu)設(shè)計上實現(xiàn)仍采用IC制造業(yè)中首選的邏輯工藝；利用RRAM自身的優(yōu)勢和特點，將RRAM作為本發(fā)明設(shè)計中的存儲介質(zhì)，設(shè)計一種實現(xiàn)RRAM多位存儲的三層四態(tài)存儲結(jié)構(gòu)單元，在提高RRAM存儲器存儲密度的同時，保證RRAM存儲器讀寫操作的可靠性。
[0040]下面結(jié)合附圖來說明RRAM的三層四態(tài)【具體實施方式】。
[0041]根據(jù)RRAM自身的特點，單個RRAM存儲單元在外加電壓作用下的1-V特性曲線204如圖2所示，其中202為上電極，203為下電極。單個RRAM存儲單元在正向電壓的作用下，即電壓方向為由上電極向下電極的方向，電阻值會逐漸減小，變?yōu)榈妥钁B(tài)；在反向電壓的作用下，電阻值會逐漸增加，變?yōu)楦咦钁B(tài)。
[0042]舉例而言，對于Pt/HfOx/Cu組成的RRAM存儲單元器件，如圖8所示，其中Pt為上電極，Cu為下電極，HfOx是具有阻變效應(yīng)的金屬氧化物，如801所示。如果電壓方向如801中箭頭方向所示，得到的曲線如圖8中802所示，在正向電壓的作用下，RRAM存儲單元的阻值逐漸減小，由高阻態(tài)變?yōu)榈妥钁B(tài)；在反向電壓的作用下，RRAM存儲單元的阻值逐漸增大，由低阻態(tài)變?yōu)楦咦钁B(tài)。將Pt/HfOx/Cu存儲器件倒置，如圖8中803所示，如果電壓方向與801中相同，得到的曲線如804所示，但是表示的意義卻剛好相反，即在正向電壓的作用下，RRAM存儲單元的阻值會逐漸增大，由低阻態(tài)變?yōu)楦咦钁B(tài)，在反向電壓的作用下，RRAM存儲單元的阻值逐漸減小，由高阻態(tài)變?yōu)榈妥钁B(tài)。顯然，RRAM存儲介質(zhì)是具有方向性的。
[0043]需要說明的是，阻性存儲器的材料有很多，并不限于HfOx這一種，只是要“具有阻變效應(yīng)的材料”即可，例如Mn0、Cr03等一些金屬氧化物，或者Si02、W03等固態(tài)電解質(zhì)等，有些有機大分子材料也被證實具有阻變效應(yīng)；而上電極和下電極的材料電極只要是導(dǎo)電金屬即可，也不限定于Pt或者Cu。
[0044]在基于RRAM的三層四態(tài)存儲結(jié)構(gòu)單元中，三個RRAM存儲單元要同方向疊放，如圖9所示。這樣做是為了保證在同一電壓作用下，三層四態(tài)結(jié)構(gòu)中每個RRAM存儲單元的阻值變化趨勢是相同的，原因是為了在相同方向的電壓作用下，整個存儲節(jié)點的阻值變化連續(xù)增大或者減小，表現(xiàn)的特性與單個RRAM存儲單元一樣。從圖9中可以看出，同方向疊放后的三個RRAM存儲單元901中一共只有四層金屬薄膜，因為中間的一層RRAM存儲單元與第一層和第三層共享金屬導(dǎo)電薄膜，這樣并不會影響三層四態(tài)結(jié)構(gòu)單元整體的阻變效應(yīng)。當(dāng)將該三層四態(tài)結(jié)構(gòu)單元與半導(dǎo)體晶體管串聯(lián)后，就組成了本發(fā)明所設(shè)計的基于RRAM的多位存儲的三層四態(tài)存儲單元結(jié)構(gòu)，即將如圖4中的401替換成圖9中的901，如圖10所示。1001為三層四態(tài)結(jié)構(gòu)單元，其上電極與半導(dǎo)體晶體管1002的一端相連相連，下電極與位線BL相連；半導(dǎo)體晶體管1002的另一端與字線WL相連，另一端接地。
[0045]接下來簡要介紹如何對該三層四態(tài)存儲結(jié)構(gòu)單元的狀態(tài)進行讀寫判斷。
[0046]根據(jù)RRAM的特性可知，一般情況下，RRAM存儲單元有兩個穩(wěn)定的狀態(tài)，高阻態(tài)和低阻態(tài)，即圖7中去掉(r3，r4)和(r5，r6)這兩個范圍。這使得RRAM的兩個狀態(tài)界限十分明顯，在讀寫過程中發(fā)生誤讀誤寫的概率極低，通過阻值比較可以準確判斷RRAM所處的范圍，進而確定RRAM的狀態(tài)。每個RRAM存儲單元均有HRS (High Resistance State)和LRS(Low Resistance State)兩種穩(wěn)定的狀態(tài),三個RRAM存儲單元的組合就產(chǎn)生了四種穩(wěn)定的阻值狀態(tài)，如下表所示。
[0047]
【權(quán)利要求】
1.一種基于阻性存儲器的多位存儲結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述多位存儲結(jié)構(gòu)包括依次同向疊放的N個阻性存儲單元，每兩個相鄰疊放的阻性存儲單元之間間隔一層導(dǎo)電的金屬薄膜；每個阻性存儲單元具有高阻態(tài)HRS和低阻態(tài)LRS兩種狀態(tài)，所述整個多位存儲結(jié)構(gòu)具有N+1個阻值狀態(tài)，對應(yīng)N+1個存儲狀態(tài)，其中所述N為大于等于2的自然數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的多位存儲結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述阻性存儲單元的個數(shù)為3，所述多位存儲結(jié)構(gòu)具有4種存儲狀態(tài)。
3.如權(quán)利要求2所述的多位存儲結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述整個多位存儲結(jié)構(gòu)阻值狀態(tài)為 HRS、HRS、HRS，或者 LRS、HRS、HRS，或者 LRS、LRS、HRS，或者 LRS、LRS、LRS，所述多位存儲結(jié)構(gòu)的存儲狀態(tài)分別對應(yīng)為11，或者10,或者01,或者00。
4.如權(quán)利要求1至3任一項所述的多位存儲結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述阻性存儲單元是由上電極、下電極和具有阻變效應(yīng)的材料組成，其中，所述上電極和下電極為導(dǎo)電金屬。
5.如權(quán)利要求4所述的多位存儲結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述阻性存儲單元的上電極為Pt，下電極為Cu，具有阻變效應(yīng)的材料為HfOx。
6.一種基于權(quán)利要求1所述的多位存儲結(jié)構(gòu)的讀寫操作方法，其特征在于，所述方法包括: 首先設(shè)定所述多位存儲結(jié)構(gòu)中每個阻性存儲單元的高阻態(tài)和低阻態(tài)的阻值范圍；其次設(shè)定所述多位存儲結(jié)構(gòu)的每種存儲狀態(tài)與每個阻性存儲單元的高阻態(tài)和低阻態(tài)的對應(yīng)關(guān)系；根據(jù)每個阻性存儲單元的高阻態(tài)和低阻態(tài)的阻值范圍，與所述多位存儲結(jié)構(gòu)的每種存儲狀態(tài)與每個阻性存儲單元的高阻態(tài)和低阻態(tài)的對應(yīng)關(guān)系，計算出整個多位存儲結(jié)構(gòu)的每種存儲狀態(tài)的阻值范圍； 所述讀操作包括:讀取整個多位存儲結(jié)構(gòu)的阻值，判斷該阻值處于多位存儲結(jié)構(gòu)的存儲狀態(tài)的阻值范圍，得到該阻值下的該多位存儲結(jié)構(gòu)的存儲狀態(tài)； 所述寫操作包括:根據(jù)需要寫入的多位存儲結(jié)構(gòu)的存儲狀態(tài)確定需設(shè)定的多位存儲結(jié)構(gòu)的阻值范圍；讀取多位存儲結(jié)構(gòu)的當(dāng)前阻值，確定多位存儲結(jié)構(gòu)的阻值變化趨勢；根據(jù)阻值變化趨勢，向所述多位存儲結(jié)構(gòu)施加正向電壓脈沖或反射電壓脈沖，每施加一次電壓脈沖則讀取多位存儲結(jié)構(gòu)的阻值，判斷該阻值是否落在需設(shè)定的多位存儲結(jié)構(gòu)的阻值范圍，如果是則寫操作成功；如果否，則繼續(xù)施加電壓脈沖，直至寫操作成功。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述讀取多位存儲結(jié)構(gòu)的當(dāng)前阻值，確定多位存儲結(jié)構(gòu)的阻值變化趨勢；根據(jù)阻值變化趨勢，向所述多位存儲結(jié)構(gòu)施加正向電壓脈沖或反射電壓脈沖具體為: 如果多位存儲結(jié)構(gòu)的當(dāng)前阻值小于需設(shè)定的多位存儲結(jié)構(gòu)的阻值范圍，則施加反向電壓脈沖； 如果多位存儲結(jié)構(gòu)的當(dāng)前阻值大于需設(shè)定的多位存儲結(jié)構(gòu)的阻值范圍，則施加正向電壓脈沖。
【文檔編號】G11C13/00GK103761987SQ201410008330
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月8日
【發(fā)明者】陳進才, 周西, 周功業(yè), 周可, 盧萍, 范鶴鶴 申請人:華中科技大學(xué)