專利名稱：一種半導體存儲器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成電路技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種半導體存儲器件。
背景技術(shù)：
目前的半導體存儲器市場，以揮發(fā)性的動態(tài)隨機存儲器(DRAM)和靜態(tài)隨機存儲器(SRAM)及非揮發(fā)性的“閃存”存儲器(Flash)為代表。動態(tài)隨機存儲器(DRAM)是可以快速讀寫的存儲器件，具有高密度，高速度，價格低廉等優(yōu)勢，一直占有很大的半導體存儲器市場。嵌入式動態(tài)隨機存儲器(eDRAM)和其他邏輯電路共同集成在一個芯片內(nèi)，可以省去大量的緩沖器和I/O壓點，從而可以有更高的速度，更小的面積和更低的功耗。由于DRAM核與邏輯電路之間有內(nèi)建的寬位數(shù)據(jù)總線，這種大量并行處理能力使嵌入式DRAM可以滿足吉位時代的T byte/s數(shù)據(jù)通量的要求。
目前動態(tài)隨機存儲器的結(jié)構(gòu)主要是一晶體管一電容(ITlC)的動態(tài)隨機存儲器結(jié)構(gòu)。動態(tài)隨機存儲器的存儲單元典型地包括兩個元件，也就是存儲電容器和存取晶體管，構(gòu)成ITic的結(jié)構(gòu)。圖I是一個傳統(tǒng)的動態(tài)隨機存儲器陣列結(jié)構(gòu)，其中100至103是選通晶體管，110至111是位線，108至109是字線，112至113是位線上的寄生電容，104至107是存儲電容器。下面以操作選通晶體管100和存儲電容器104構(gòu)成的存儲單元為例說明傳統(tǒng)的動態(tài)隨機存儲器的工作過程。在寫操作階段，數(shù)據(jù)值被放在位線110上，字線108則被提升，根據(jù)數(shù)據(jù)值的不同，存儲電容器118或者充電，或者放電，具體地，當數(shù)據(jù)為I時，存儲電容器104充電，當數(shù)據(jù)為O時，存儲電容器104放電。在讀操作階段，位線110首先被預充電，當使字線108有效時，在位線電容112和存儲電容器104之間放生了電荷的重新分配，這時位線上的電壓發(fā)生變化，這一變化的方向決定了被存放數(shù)據(jù)的值。ITlC結(jié)構(gòu)動態(tài)隨機存儲器是破壞性的，這就是說存放在單元中的電荷數(shù)量在讀操作期間被修改，因此完成一次讀操作之后必須再恢復到它原來的值。于是完成讀操作之后緊接著就是刷新操作。進行刷新操作之后才能進行下一步的讀寫操作。動態(tài)隨機存儲器屬于揮發(fā)性存儲器，斷電時其保存的數(shù)據(jù)會消失，不適用于必須確保非易失數(shù)據(jù)絕對安全的場合，例如網(wǎng)絡(luò)通訊類(路由器、高端交換機、防火墻等)；打印設(shè)備類(打印機、傳真機、掃描儀)；工業(yè)控制類(工控板、鐵路/地鐵信號控制系統(tǒng)、高壓電繼電器等)；汽車電子類(行駛記錄儀等)；醫(yī)療設(shè)備(如彩超)等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種半導體存儲器件，能夠同時具有動態(tài)存儲器的功耗低，速度快的優(yōu)點，又能夠?qū)崿F(xiàn)非揮發(fā)性的存儲。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案一種半導體存儲器件，包括存儲單元；每個所述存儲單元包括字線、位線、阻變存儲器件、選通器件和存儲電容；所述阻變存儲器件的一端與所述位線相連，另一端與所述選通器件的源極/漏極相連；所述選通器件的柵極與一條所述字線相連，所述選通器件的漏極/源極與另一條所述字線相連；所述存儲電容的一端與所述選通器件的漏極/源極相連，另一端接地。優(yōu)選的，所述阻變存儲器件的選通管包括金屬-氧化物-半導體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)和三極管。優(yōu)選的，所述阻變存儲器件包括單極器件、雙極器件和無極器件。優(yōu)選的，所述阻變存儲器件的阻變層材料包括鈣鈦礦氧化物、過渡金屬二元氧化物、固態(tài)電解質(zhì)、或有機物。具體的，存儲器包括數(shù)個存儲單元，每個存儲單元位于兩條字線與一條位線的交叉區(qū)。每個存儲單元包括一個阻變存儲單元和一個動態(tài)存儲單元，其中阻變存儲單元由選通器件和一個阻變存儲電阻組成，動態(tài)存儲單元由選通器件和一個存儲電容組成，通過兩條字線的不同信號選擇不同的存儲方式，阻變存儲單元和動態(tài)存儲單元共用同一根位線。正常通電時，首先初始化所有RRAM存儲單元使其變?yōu)榈妥钁B(tài)，然后使用非揮發(fā)動態(tài)半導體 存儲器件的動態(tài)存儲單元進行讀寫操作；斷電前將動態(tài)存儲單元的數(shù)據(jù)存入緩存，然后將緩存中的數(shù)據(jù)存入不揮發(fā)動態(tài)存儲器中的阻變存儲單元；恢復供電后，讀出RRAM單元的數(shù)據(jù)存入緩存，然后初始化RRAM存儲單元為低阻態(tài)，再將緩存中的數(shù)據(jù)寫入非揮發(fā)動態(tài)半導體存儲器件中的動態(tài)存儲單元。根據(jù)本發(fā)明提供的具體實施例，本發(fā)明公開了以下技術(shù)效果本發(fā)明所公開的半導體存儲器件，采用阻變存儲器件，正常通電時使用不揮發(fā)動態(tài)存儲器中的動態(tài)存儲單元進行讀寫操作，斷電后利用不揮發(fā)動態(tài)存儲器中的阻變存儲單元存儲數(shù)據(jù)；同時具有動態(tài)存儲器的功耗低，速度快的優(yōu)點，又能夠?qū)崿F(xiàn)非揮發(fā)性的存儲。


為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖I為現(xiàn)有技術(shù)中的動態(tài)隨機存儲器陣列結(jié)構(gòu)圖；圖2為RRAM的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為RRAM的存儲機制的原理示意圖；圖4為本發(fā)明實施例所述半導體存儲器件的單元結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明實施例所公開的半導體存儲器件的操作流程圖；圖6為本發(fā)明實施例所公開的半導體存儲器件的陣列示意圖。
具體實施例方式下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。本發(fā)明的目的是提供一種半導體存儲器件，能夠同時具有動態(tài)存儲器的功耗低，速度快的優(yōu)點，又能夠?qū)崿F(xiàn)非揮發(fā)性的存儲。在眾多不揮發(fā)存儲器中，基于阻變材料的阻變存儲器被廣泛地研究。阻變存儲器件RRAM主要是利用某些薄膜材料在電激勵的作用下會出現(xiàn)不同電阻狀態(tài)(高、低阻態(tài))的轉(zhuǎn)變現(xiàn)象來進行數(shù)據(jù)的存儲。研究發(fā)現(xiàn)RRAM具有寫入電壓低，寫入擦除時間短，非破壞性讀取，結(jié)構(gòu)簡單，所需面積小，非揮發(fā)性存儲等優(yōu)點，適合高密度非揮發(fā)性存儲。目前RRAM的存儲單元結(jié)構(gòu)主要是一晶體管一 RRAM(ITIR)和一二極管一RRAM(IDIR)結(jié)構(gòu)。具體地結(jié)合圖2和圖3說明RRAM的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。圖2中201為阻變層，202為選通晶體管，203為字線，204為位線；圖3(b)和圖3(c)分別為單極器件和雙極器件的工作原理示意圖，其中205、208為SET過程，206、209為RESET過程，207為限流。單極器 件可以在單一方向的偏壓下實現(xiàn)電阻的高低轉(zhuǎn)變，而雙極器件需要在不同方向的偏壓下實現(xiàn)電阻的高低轉(zhuǎn)變。具體的寫I時，施加SET電壓使其轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥钁B(tài)，寫O時施加RESET電壓使其轉(zhuǎn)變?yōu)楦咦钁B(tài)，讀取時施加讀電壓(一般都很小，在O. 2v左右)?；贒RAM高速、低功耗的特性和RRAM的小尺寸、非揮發(fā)的特性，本發(fā)明提出一種不揮發(fā)動態(tài)半導體存儲器件，其原理在于正常通電時使用不揮發(fā)動態(tài)存儲器中的動態(tài)存儲單元進行讀寫操作，斷電后利用不揮發(fā)動態(tài)存儲器中的阻變存儲單元存儲數(shù)據(jù)。其優(yōu)點在于既利用了動態(tài)存儲器功耗低，速度快的優(yōu)點，又實現(xiàn)了非揮發(fā)性的存儲。為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細的說明。參見圖4，為本發(fā)明實施例所述半導體存儲器件的單元結(jié)構(gòu)示意圖。如圖4所示，該存儲器包括字線303和305、位線304、阻變存儲器件301、選通器件302和存儲電容306 ；所述阻變存儲器件301的一端與所述位線304相連，另一端與選通器件302的源極相連；所述選通器件302的柵極與字線303相連，所述選通器件的漏極與字線305相連；所述存儲電容306的一端與選通器件302的漏極相連，另一端接地。需要說明的是，圖4中的存儲器的單元結(jié)構(gòu)還可以是如下方式所述阻變存儲器件301的一端與所述位線304相連，另一端與選通器件302的漏極相連；所述選通器件302的柵極與字線303相連，所述選通器件的源極與字線305相連；所述存儲電容306的一端與選通器件302的源極相連，另一端接地。因為從結(jié)構(gòu)示意圖上并無明顯區(qū)別，因此沒有對其進行單獨附圖。本發(fā)明實施例所公開的半導體存儲器件，包括若干個圖4所示的存儲單元。與圖4中的結(jié)構(gòu)相同，每個存儲單元位于兩條字線與一條位線的交叉區(qū)；所述存儲單元包括一個阻變存儲單元和一個動態(tài)存儲單元。其中阻變存儲單元由選通器件302和阻變存儲器件301組成，動態(tài)存儲單元由選通器件302和存儲電容306組成，通過兩條字線的不同信號選擇不同的存儲方式，阻變存儲單元和動態(tài)存儲單元共用同一根位線。實際應(yīng)用中，所述阻變存儲器件的選通管包括金屬-氧化物-半導體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)和三極管。實際應(yīng)用中，所述阻變存儲器件可以包括單極器件、雙極器件和無極器件。實際應(yīng)用中，所述阻變存儲器件的阻變層材料可以包括鈣鈦礦氧化物如SrZr03、LiNb03、BaTi03 等；過渡金屬二元氧化物如 Ni0、Ti02、Zr02、Nb205、Ta205、A1203、CoO 等；固態(tài)電解質(zhì)如 Si02、W03、CuI0. 76S0. I、Ag-Ge-Se、Ag-Ge-S 等；有機物如 AIDCN、PVK、PS、PCm、F12TPN等；還有其他如a_Si:H、μ c_Si等有類似性質(zhì)的材料。綜上，本發(fā)明提出的半導體存儲器件，正常通電時使用不揮發(fā)動態(tài)存儲器中的動態(tài)存儲單元進行讀寫操作，斷電后利用不揮發(fā)動態(tài)存儲器中的阻變存儲單元存儲數(shù)據(jù)；同時具有動態(tài)存儲器的功耗低，速度快的優(yōu)點，又能夠?qū)崿F(xiàn)非揮發(fā)性的存儲。需要說明的是，現(xiàn)有技術(shù)中有一種采用相變存儲單元的不揮發(fā)動態(tài)存儲器。由于本發(fā)明實施例所公開的方案中，采用阻變存儲器件，阻變存儲器件的存儲速度比相變存儲單元的存儲速度快，因此與現(xiàn)有技術(shù)中的采用相變存儲單元的不揮發(fā)動態(tài)存儲器相比，本發(fā)明所公開的存儲器的工作效率得到顯著提高。圖5為本發(fā)明實施例所公開的半導體存儲器件的操作流程圖。圖6為本發(fā)明實施例所公開的半導體存儲器件的陣列示意圖。其中 500-502為位線，503-508為字線，509-517為本發(fā)明所述的非揮發(fā)性動態(tài)半導體存儲器件的存儲單元，518-520為位線上的寄生電容，521為行譯碼器，522為列譯碼器，523為多路選擇器，524為寫驅(qū)動，525為刷新電路，526為讀出放大器，527為緩存，528為輸入輸出。結(jié)合圖5、圖6進一步說明本發(fā)明的具體操作過程正常通電時，首先初始化所有RRAM存儲單元使其變?yōu)榈妥钁B(tài)，具體為利用字線WLl-WLn (504，506等)打開存儲單元的選通器件，字線WLl_WLn’(503，505等)接地處理，位線BLl-BLn(501-503等)上施加RRAM單元所需的置位(SET)電壓(根據(jù)不同材料和結(jié)構(gòu)有所調(diào)整)使其轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥钁B(tài)，通過行譯碼器521選擇字線WL1’ -WLn’做浮空處理。然后對該非揮發(fā)動態(tài)半導體存儲器件的動態(tài)存儲單元進行正常的讀寫操作，以單元509為例，當需要寫“I”時，通過行譯碼器選擇字線WL1，施加高電平如3. 3v，打開存儲單元的選通器件，通過寫驅(qū)動524，多路選擇器523，列譯碼器522選擇字線BL1，施加高電平，如3. 3v ;當需要寫“O”時，通過行譯碼器選擇字線WL1，施加高電平打開存儲單元的選通器件，通過寫驅(qū)動，多路選擇器，列譯碼器選擇字線BL1，施加低電平，如Ov ;讀取數(shù)據(jù)時，通過行譯碼器選擇字線WL1，施加低電平，如0v，關(guān)閉存儲單元的選通器件，通過讀出放大器526，列譯碼器和多路選擇器選擇位線BLl施加預充電電壓，如I. 5v，再如前述所打開該存儲單元的選通器件，利用電荷分享原理讀出該單元的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)讀出的數(shù)據(jù)，利用刷新電路525等再為該存儲電容寫入相同的值，即為刷新操作。當檢測到需要斷電時，如前所述對所有動態(tài)存儲單元進行讀操作，并將讀出的數(shù)據(jù)存入緩存527中，然后將緩存中的數(shù)據(jù)存入該非揮發(fā)動態(tài)半導體存儲器件的阻變存儲單元，其中存“O”時，通過行譯碼器選擇WL1，施加高電平打開存儲單元的選通器件，WL1’接地處理，通過寫驅(qū)動，多路選擇器，列譯碼器選擇字線BLl施加RRAM單元所需的復位電壓(復位電壓根據(jù)不同類型的RRAM器件有所調(diào)整)，存“I”時，不進行任何操作。當恢復供電后，通過行譯碼器選擇WL1，施加高電平打開存儲單元的選通器件，WL1’接地處理；通過讀出放大器，列譯碼器和多路選擇器選擇位線BLl位線上施加RRAM單元所需的讀電壓，如O. 2v,讀出RRAM單元的數(shù)據(jù)存入緩存，然后如前所述初始化RRAM存儲單元為低阻態(tài)，再通過行譯碼器選擇字線WLl’-WLn’做浮空處理，然后將緩存中的數(shù)據(jù)前所述的寫操作寫入該非揮發(fā)動態(tài)半導體存儲器件中的動態(tài)存儲單元中。由上述可知，在本發(fā)明的實施例中，本發(fā)明綜合利用了 DRAM器件的高密度、高速度、低功耗和RRAM存儲器件的高密度、非揮發(fā)性、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)勢，實現(xiàn)了一種新型的非揮發(fā)性的動態(tài)存儲器件。本說明書中各個實施例采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。

本文中應(yīng)用了具體個例對本發(fā)明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時，對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實施方式
及應(yīng)用范圍上均會有改變之處。綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制。
權(quán)利要求
1.一種半導體存儲器件，其特征在于，包括存儲單元；每個所述存儲單元包括字線、位線、阻變存儲器件、選通器件和存儲電容； 所述阻變存儲器件的一端與所述位線相連，另一端與所述選通器件的源極/漏極相連；所述選通器件的柵極與一條所述字線相連，所述選通器件的漏極/源極與另一條所述字線相連；所述存儲電容的一端與所述選通器件的漏極/源極相連，另一端接地。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的半導體存儲器件，其特征在于，所述阻變存儲器件的選通管包括金屬-氧化物-半導體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)和三極管。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的半導體存儲器件，其特征在于，所述阻變存儲器件包括單極器件、雙極器件和無極器件。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的半導體存儲器件，其特征在于，所述阻變存儲器件的阻變層材料包括鈣鈦礦氧化物、過渡金屬二元氧化物、固態(tài)電解質(zhì)、或有機物。
全文摘要
本發(fā)明公開一種半導體存儲器件，包括存儲單元；每個所述存儲單元包括字線、位線、阻變存儲器件、選通器件和存儲電容；所述阻變存儲器件的一端與所述位線相連，另一端與所述選通器件的源極/漏極相連；所述選通器件的柵極與一條所述字線相連，所述選通器件的漏極/源極與另一條所述字線相連；所述存儲電容的一端與所述選通器件的漏極/源極相連，另一端接地。本發(fā)明所公開的半導體存儲器件，同時具有動態(tài)存儲器的功耗低，速度快的優(yōu)點，又能夠?qū)崿F(xiàn)非揮發(fā)性的存儲。
文檔編號G11C16/06GK102800359SQ20111013756
公開日2012年11月28日 申請日期2011年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月25日
發(fā)明者劉明, 許中廣, 霍宗亮, 龍世兵, 謝常青, 張滿紅, 李冬梅 申請人:中國科學院微電子研究所