基于多比特阻態(tài)阻變器件的rram陣列讀寫方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種多比特阻態(tài)阻變器件的應(yīng)用領(lǐng)域，尤其涉及一種基于多比特阻態(tài)阻變器件的RRAM陣列讀寫方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]非易失性存儲器器件由于高密度、高速和低功耗在當(dāng)今存儲器領(lǐng)域占據(jù)了重要的角色，閃存作為目前最重要的非易失性存儲器，由于尺寸無法繼續(xù)縮小這個重要瓶頸近年來發(fā)展遇到了嚴(yán)重制約，因此一系列有望替代閃存的技術(shù)的研究也隨之興起。
[0003]利用金屬氧化物中的阻變現(xiàn)象制成的阻變器件具有非常廣闊的應(yīng)用前景，由于金屬氧化物在外電場控制下在不同阻態(tài)間可以發(fā)生可逆變化，并且在斷電之后這種阻態(tài)變化仍能得到保持，即這種阻變器件具有多值非揮發(fā)特性，因此利用這種阻變器件構(gòu)造的阻變存儲器即RRAM相對于傳統(tǒng)閃存具有明顯的優(yōu)勢。
[0004]阻變器件的多阻態(tài)特性十分新穎，在目前存儲領(lǐng)域中，絕大部分為二值存儲，而如何提高存儲陣列的集成度是目前發(fā)展中遇到的重要難題，多值存儲是提高存儲器集成度的一種方法。此外，多阻態(tài)特性還有希望在模擬存儲領(lǐng)域中獲得應(yīng)用。
[0005]阻變器件的多阻態(tài)特性雖然前景廣闊，但受限于目前有關(guān)理論研究和工藝水平，對阻變器件的多阻態(tài)應(yīng)用研究還不深入，特別在存儲器陣列中實現(xiàn)多值存取也對器件特性和陣列讀寫方案提出了較高要求。
[0006]傳統(tǒng)的存儲陣列中存儲信息的讀取利用將陣列位線末端串聯(lián)敏感放大器通過讀取敏感放大器中的電流實現(xiàn)對存儲單元中阻值高低狀態(tài)的判斷，實現(xiàn)讀取存儲單元中存儲的O或I的功能，實現(xiàn)對存儲內(nèi)容的讀取，但是，現(xiàn)有的敏感放大器無法將存儲單元中的存儲值精確讀取出來。
[0007]此外，阻變器件按傳統(tǒng)存儲器陣列進行連接容易受到串?dāng)_的影響，傳統(tǒng)一般采用兩種方案進行解決。第一種方法一般是將阻變器件與一個選通管進行串聯(lián)，通過控制選通管的開關(guān)實現(xiàn)對單個阻變器件的讀寫。另一種方法則是將阻變器件直接排成陣列，通過對不同字線、位線上的電壓控制實現(xiàn)V/2法讀寫。對于具有多比特阻值狀態(tài)的阻變器件的存儲陣列單元的寫入來說，利用傳統(tǒng)方法無法精確控制不同阻值狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本發(fā)明提供一種基于多比特阻態(tài)阻變器件的RRAM陣列讀寫方法及實現(xiàn)該方法的系統(tǒng)。
[0009]本發(fā)明基于多比特阻態(tài)阻變器件的RRAM陣列讀寫方法，包括如下步驟:構(gòu)造RRAM存儲陣列，所述RRAM存儲陣列中設(shè)有多個具有多比特阻態(tài)的阻變單元;寫入模塊通過使阻變器件在阻值變化區(qū)間線性變化實現(xiàn)阻值的寫入;通過在讀取模塊的輸入端分別加一個所要讀取的阻變單元上位線上的電壓Vbl和相應(yīng)參考電壓Vref，實現(xiàn)讀取模塊對RRAM存儲陣列中某一阻變單元不同阻態(tài)間阻值進行讀取;解碼模塊將讀取模塊的讀取值轉(zhuǎn)換成設(shè)定的數(shù)字。
[0010]本發(fā)明作進一步改進，所述阻值寫入模塊通過脈沖型V/2法進行阻值的寫入，所述脈沖型V/2法通過控制脈沖高度避免串?dāng)_，通過控制脈沖數(shù)量實現(xiàn)阻變單元內(nèi)不同組態(tài)間阻值的轉(zhuǎn)換。
[0011]本發(fā)明作進一步改進，所述阻值寫入模塊通過在RRAM存儲陣列的不同字線、位線上所加脈沖的幅度不同，控制施加脈沖的個數(shù)完成不同阻值狀態(tài)間的精確轉(zhuǎn)換。
[0012]本發(fā)明作進一步改進，所述阻值寫入模塊通過電壓V/2法進行阻值的寫入。
[0013]本發(fā)明作進一步改進，所述多比特阻態(tài)阻變器件具有多個阻值窗口，能夠?qū)崟r響應(yīng)脈沖，具有線性阻值變化區(qū)。
[0014]本發(fā)明作進一步改進，所述RRAM存儲陣列為crosspoint型存儲陣列結(jié)構(gòu)。
[0015]本發(fā)明作進一步改進，所述RRAM存儲陣列利用選通管構(gòu)建。
[0016]本發(fā)明作進一步改進，所述讀取模塊為拓展敏感放大器。
[0017]本發(fā)明作進一步改進，所述解碼模塊為解碼器，所述解碼器為二進制模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
[0018]本發(fā)明還提供了一種實現(xiàn)上述RRAM陣列讀寫方法的系統(tǒng)，包括構(gòu)造模塊:構(gòu)造RRAM存儲陣列，所述RRAM存儲陣列中設(shè)有多個具有多比特阻態(tài)的阻變單元;阻值寫入模塊:通過使阻變器件在阻值變化區(qū)間線性變化實現(xiàn)阻值的寫入;讀取模塊:通過在讀取模塊的輸入端分別加一個所要讀取的阻變單元上位線上的電壓Vbl和相應(yīng)參考電壓Vref，實現(xiàn)讀取模塊對RRAM存儲陣列中某一阻變單元不同阻態(tài)間阻值進行讀取，所述讀取模塊串聯(lián)在位線末端;解碼模塊:解碼模塊將讀取模塊的讀取值轉(zhuǎn)換成設(shè)定的數(shù)字。
[0019]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:通過改進的讀取模塊實現(xiàn)對陣列中某一阻變單元不同阻態(tài)間阻值的讀取，從而完成了對新型阻變存儲陣列中多值存儲的實現(xiàn);利用阻變單元阻值寫入時不同字線、位線上所加脈沖的幅度不同來實現(xiàn)控制串?dāng)_，同時能夠控制施加脈沖的個數(shù)完成不同阻值狀態(tài)間的精確轉(zhuǎn)換。
【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明方法流程圖；
圖2為本發(fā)明陣列結(jié)構(gòu)及阻變單元阻值狀態(tài)的寫入操作示意圖；
圖3為本發(fā)明對阻變單元多阻值狀態(tài)讀取的架構(gòu)示意圖；
圖4為本發(fā)明η比特阻態(tài)阻變器件用到的拓展敏感放大器的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5為本發(fā)明2比特阻態(tài)阻變器件用到的拓展敏感放大器的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0021 ]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明。
[0022]RRAM，阻變存儲器(Resistive Random Access Memory)，可顯著提高耐久性和數(shù)據(jù)傳輸速度的可擦寫內(nèi)存技術(shù)。
[0023]本發(fā)明的基本思想是利用具有多阻值狀態(tài)的阻變器件構(gòu)造成可精確寫入及具有數(shù)字化讀取的憶阻存儲器(RAM)讀寫方案。
[0024]阻變器件包括頂電極和底電極，以及在兩個電極之間的金屬氧化物層。本發(fā)明中應(yīng)用的阻變器件具有良好的高低阻態(tài)間的線性阻值變化窗口，并能夠通過施加在兩端電極上的電壓、脈沖等改變阻變器件的阻值狀態(tài)。本發(fā)明同樣適用于雙極性金屬氧化物阻變器件。
[0025]如圖1所示，本發(fā)明基于多比特阻態(tài)阻變器件的RRAM陣列讀寫方法，包括如下步驟:
(1)構(gòu)造RRAM存儲陣列，所述RRAM存儲陣列中設(shè)有多個具有多比特阻態(tài)的阻變單元；
(2)阻值寫入模塊通過使阻變器件在阻值變化區(qū)間線性變化實現(xiàn)阻值的寫入；
(3)通過在讀取模塊的輸入端分別加一個所要讀取的阻變單元上位線上的電壓Vbl和相應(yīng)參考電壓Vre3f,實現(xiàn)讀取模塊對RRAM存儲陣列中某一阻變單元不同阻態(tài)間阻值進行讀??；
(4)解碼模塊將讀取模塊的讀取值轉(zhuǎn)換成數(shù)字。
[0026]如圖2所示，本發(fā)明的阻值寫入模塊通過脈沖型V/2法進行阻值的寫入，所述脈沖型V/2法通過控制脈沖高度避免串?dāng)_，通過控制脈沖數(shù)量實現(xiàn)阻變單元內(nèi)不同組態(tài)間阻值的轉(zhuǎn)換，阻值寫入模塊通過在RRAM存儲陣列的不同字線、位線上所加脈沖的幅度不同，控制施加脈沖的個數(shù)完成不同阻值狀態(tài)間的精確轉(zhuǎn)換。當(dāng)然，也可以采用傳統(tǒng)的電壓V/2法進行阻值的寫入。
[0027]本例首先進行整個RRAM存儲陣列(簡稱存儲陣列)的構(gòu)造，再進行RRAM存儲陣列中存儲單元也就是阻變單元的寫入方法。阻變存儲器(RRAM)的存儲陣列的構(gòu)造，首先需要構(gòu)造存儲陣列中的一個阻變單元，也就是存儲單元，存儲單元需要將存儲器件的頂電極與陣列字線相連接，將存儲器件的底電極與陣列位線相連接，將存儲單元構(gòu)造完成后，通過將相同存儲單元結(jié)構(gòu)在水平、豎直兩個維度上的復(fù)制排列從而實現(xiàn)阻變存儲器crosspoint (交叉點)型存儲陣列的構(gòu)造。
[0028]在具有多阻值狀態(tài)的阻變器件的阻值變化窗口中，將阻變器件的高阻態(tài)視為0，低阻態(tài)視為I，由于在高低阻態(tài)之間的阻值變化曲線呈現(xiàn)出較好的線性特性，因此我們在阻態(tài)為0-1間實現(xiàn)阻變器件的多阻值狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。在此線性的阻值變化區(qū)間，我們可以將N比特不同阻態(tài)存儲在不同的子區(qū)間范圍內(nèi)。例如，對于一個具有2比特即4種不同阻態(tài)的阻變器件，我們可以將0.0-0.3阻值區(qū)間視為00,0.3-0.5阻值區(qū)間視為01,0.5-0.7阻值區(qū)間視為10,0.7-1.0阻值區(qū)間視為11?；谕瑯拥脑?，如果阻變器件的阻值窗口比較大，則可以將N比特位不同阻變狀態(tài)存儲在阻變器件中。
[0029]Crosspoint型存儲陣列為了降低阻變器件構(gòu)造中不可避免的串?dāng)_現(xiàn)象，往往采用V/2電壓法進行阻值的寫入，即將選通存儲單元的字線接Vdd，位線接地，其余不被選擇的存儲單元字線位線接Vdd/2。對于具有多比特阻值狀態(tài)的阻變器件的存儲陣列單元的寫入來說，利用V/2電壓法無法精確控制不同阻值狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換，基于目前新型阻變器件對脈沖控制下具有的良好阻變響應(yīng)，本發(fā)明采用改進的脈沖型V/2法，如圖2所示。利用阻變單元阻值寫入時不同字線、位線上所加脈沖的幅度不同來實現(xiàn)控制串?dāng)_，同時可以控制施加脈沖的個數(shù)完成不同阻值狀態(tài)間的精確轉(zhuǎn)換。
[0030]對于采用選通管構(gòu)造的RRAM陣列結(jié)構(gòu)，亦可采用同樣的原理通過控制選通存儲單元的選通管的選通后施加在選通存儲單元的脈沖個數(shù)的變化從而實現(xiàn)控制多比特阻變存儲器不同阻值狀態(tài)的寫入。
[0031]如圖3所示，本例的讀取模塊為拓展過的拓展敏感放大器，所述拓展敏感放大器的數(shù)量與位線數(shù)量相同，本圖只是其中的一部分的結(jié)構(gòu)示意圖，所述拓展敏感放大器包含所述拓