本發(fā)明屬于半導(dǎo)體和cmos混合集成電路，具體涉及一種新型存儲(chǔ)器的讀取方法。

背景技術(shù)：

1、隨著智能時(shí)代的到來(lái)，數(shù)據(jù)體量劇增，凸顯了傳統(tǒng)馮·諾依曼計(jì)算架構(gòu)的局限性，尤其是其內(nèi)在的存取與計(jì)算分離機(jī)制及傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)速度不匹配的問(wèn)題。面對(duì)挑戰(zhàn)，工業(yè)界被迫探索創(chuàng)新解決方案，包括發(fā)展高效率的嵌入式存儲(chǔ)以及存儲(chǔ)與計(jì)算一體化的非易失性器件，旨在提高存儲(chǔ)效率，并顯著降低數(shù)據(jù)傳輸所需的時(shí)延。在此背景下，憶阻器技術(shù)尤其是在嵌入式存儲(chǔ)應(yīng)用場(chǎng)景，以及構(gòu)建深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方面，憑借其與現(xiàn)行cmos工藝的兼容性、制造過(guò)程的簡(jiǎn)化、高密度集成的潛力以及執(zhí)行復(fù)雜神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)任務(wù)時(shí)的低能耗高效性，已成為研究焦點(diǎn)。

2、電阻型阻變存儲(chǔ)器(rram)在諸多憶阻技術(shù)中以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)約、高效能、快速讀寫及多位存儲(chǔ)能力等諸多優(yōu)勢(shì)，獲得了行業(yè)的廣泛青睞。特別是氧空位型rram(oxrram)，它通過(guò)低操作電壓促成氧空位的有序遷移，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電阻狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，支持多位存儲(chǔ)并通過(guò)精確的電流控制保證設(shè)備處于正確的電阻狀態(tài)。設(shè)備的電阻值變化主要通過(guò)設(shè)定(set)和重置(reset)操作來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3、為實(shí)現(xiàn)高密度集成的同時(shí)減少串?dāng)_電流帶來(lái)的影響，rram設(shè)備普遍采用交叉陣列結(jié)構(gòu)。然而，無(wú)源式交叉陣列易受串?dāng)_電流影響，可能引致讀寫錯(cuò)誤及設(shè)備性能退化。為解決此問(wèn)題，研究者提出在陣列中引入選擇器元件，如1t1r、1d1r及1s1r結(jié)構(gòu)。1t1r結(jié)構(gòu)因其晶體管設(shè)計(jì)和制造工藝的成熟而得到廣泛采用。通過(guò)晶體管控制，可以精確選擇并操作特定rram單元，并借助晶體管的傳輸特性實(shí)現(xiàn)精確的電流控制，確保rram單元達(dá)到正確的電阻狀態(tài)。此方法不僅提升了操作精度，同時(shí)優(yōu)化了設(shè)備的整體性能與可靠性。

4、而面向應(yīng)用，無(wú)論是瞄準(zhǔn)嵌入式存儲(chǔ)應(yīng)用亦或者存算應(yīng)用都要求器件存在高電流差/高開關(guān)比，并要求能實(shí)現(xiàn)多次(>1e9次)讀取。對(duì)于1t1r結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)讀方案采取bl端讀取，而電流差與讀取電壓存在正相關(guān)，高讀取電壓帶來(lái)高電流差的同時(shí)，也帶來(lái)讀干擾影響。近年來(lái)，學(xué)界已經(jīng)嘗試通過(guò)各種調(diào)控手段，針對(duì)1t1r執(zhí)行多樣化操作以實(shí)現(xiàn)抑制讀干擾方案，例如外圍電路的引入，實(shí)現(xiàn)阻值的定期刷新；亦或者采用更高精度的靈敏放大器以減少電流差閾值，最終實(shí)現(xiàn)降低讀電壓的方案，在減緩讀干擾的同時(shí)但又帶來(lái)極大的成本代價(jià)。這些問(wèn)題對(duì)于新型存儲(chǔ)器件的大規(guī)模集成化與商用構(gòu)成了挑戰(zhàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供一種新型存儲(chǔ)器的讀取方法，通過(guò)采用與reset同向的讀取方案，在采用大讀取電壓的前提，提高～3倍電流差窗口，同時(shí)有效抑制讀干擾。

2、本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下：

3、一種新型存儲(chǔ)器的讀取方法，所述新型存儲(chǔ)器為非易失性存儲(chǔ)器，該存儲(chǔ)器包括cmos晶體管與阻變存儲(chǔ)器，所述阻變存儲(chǔ)器的底電極連接cmos晶體管的漏端，阻變存儲(chǔ)器為四端操作型器件，所述新型存儲(chǔ)器的讀取操作具體包括如下步驟：

4、1)在晶體管的漏端(bl)進(jìn)行器件的電初始化(forming)與置位(set)步驟，在晶體管的源端(sl)進(jìn)行重置(reset)操作；

5、2)控制晶體管的柵極施加開啟電壓，在sl端施加讀取電壓vread，在bl端讀取電流。

6、進(jìn)一步，柵極電壓施加為0.5～3倍vdd電壓范圍內(nèi)。

7、進(jìn)一步，讀取電壓施加范圍為0.2～0.8倍置位電壓(vset)，讀取電壓vdd的脈寬施加范圍從1～10000ns。

8、進(jìn)一步，cmos晶體管具有選擇功能的晶體管，采用平面晶體管或者finfet。

9、進(jìn)一步，所述阻變存儲(chǔ)器采用金屬、金屬氮化物或?qū)щ娊饘傺趸锊牧献鳛殡姌O層，采用單層或兩層及以上的阻變材料作為阻變層，所述單層阻變材料包括alox、hfox、taox、zrox、siox、vox、mnox、tiox、cuox、znox、wox、agox，srtiox、catiox，鐵電隧道結(jié)(ftj)，p(vdf-trfe)基鐵電聚合物，hfo2基材料(氟化鉿)，pvdf及其共聚物，鍺烯、錫烯和mos2單層二維材料，鋁鈧氮(alscn)或有機(jī)材料中的一種材料及其組合。所述兩層及以上的材料中每層材料包括alox、hfox、taox、zrox、siox、vox、mnox、tiox、cuox、znox、wox、agox，srtiox、catiox或有機(jī)材料中的一種材料及其組合。

10、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明方法具有以下有益效果：

11、傳統(tǒng)方法中，新型存儲(chǔ)器的操作包括：電初始化方式(forming)，置位方式(set)以及讀取方式(read)于同側(cè)，例如都處于漏端操作(drain)；而重置操作(reset)從漏端施加正向電壓；采用晶體管的柵端(gate端)施加增加的正向電壓方式，而晶體管的源端與襯底施加共地電位。傳統(tǒng)讀取方案，在開啟晶體管(gate端施加正向電壓)的情況下，從漏端施加0.1～0.4v讀取電壓，從源端讀出電流。當(dāng)阻變存儲(chǔ)器件處于高阻值狀態(tài)，導(dǎo)電細(xì)絲斷裂，頂電極周圍處存在空隙；與set同向的正向電壓會(huì)增大空隙處局部電場(chǎng)，導(dǎo)致帶負(fù)電荷氧離子往頂電極移動(dòng)，氧空位在虛擬電極處聚集成簇；縱向生長(zhǎng)的導(dǎo)電絲帶來(lái)空隙減小，電場(chǎng)隨之增大，形成正反饋，最終加速阻值波動(dòng)甚至狀態(tài)變化。

12、而本發(fā)明在sl端施加正向電壓實(shí)現(xiàn)讀取對(duì)hrs影響較小，而對(duì)于lrs狀態(tài)，器件導(dǎo)電絲完整形成，其斷裂受到電場(chǎng)與joule?heating共同影響，焦耳產(chǎn)熱與電壓呈現(xiàn)平方關(guān)系，因此在低于導(dǎo)電絲斷裂的電壓閾值下，焦耳產(chǎn)熱會(huì)通過(guò)高熱導(dǎo)率材料散熱，從而動(dòng)態(tài)降低阻值變化影響，使從sl端讀取方式能采用更高的讀取電壓，實(shí)現(xiàn)高電流窗口。

技術(shù)特征：

1.一種新型存儲(chǔ)器的讀取方法，其特征在于，該新型存儲(chǔ)器為非易失性存儲(chǔ)器，包括cmos晶體管與阻變存儲(chǔ)器，所述阻變存儲(chǔ)器的底電極連接cmos晶體管的漏端，所述新型存儲(chǔ)器的讀取操作具體包括如下步驟：

2.如權(quán)利要求1所述的讀取方法，其特征在于，所述柵極施加電壓的范圍為0.5～3倍vdd電壓。

3.如權(quán)利要求1所述的讀取方法，其特征在于，所述讀取電壓范圍為0.2～0.8倍vset。

4.如權(quán)利要求1所述的讀取方法，其特征在于，所述讀取電壓的脈寬施加范圍為1～10000ns。

5.如權(quán)利要求1所述的讀取方法，其特征在于，所述cmos晶體管為具有選擇功能的晶體管，采用平面晶體管或者finfet。

6.如權(quán)利要求1所述的讀取方法，其特征在于，所述阻變存儲(chǔ)器采用金屬、金屬氮化物或?qū)щ娊饘傺趸锊牧献鳛殡姌O層，采用單層或兩層及以上的阻變材料作為阻變層。

7.如權(quán)利要求6所述的讀取方法，其特征在于，所述單層阻變材料包括alox、hfox、taox、zrox、siox、vox、mnox、tiox、cuox、znox、wox、agox，srtiox、catiox，鐵電隧道結(jié)(ftj)，p(vdf-trfe)基鐵電聚合物，hfo2基材料(氟化鉿)，pvdf及其共聚物，鍺烯、錫烯和mos2單層二維材料，鋁鈧氮(alscn)或有機(jī)材料中的一種材料及其組合。

8.如權(quán)利要求6所述的讀取方法，其特征在于，所述兩層及以上的材料中每層材料包括alox、hfox、taox、zrox、siox、vox、mnox、tiox、cuox、znox、wox、agox，srtiox、catiox或有機(jī)材料中的一種材料及其組合。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開一種新型存儲(chǔ)器的讀取方法，屬于半導(dǎo)體和CMOS混合集成電路技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明新型存儲(chǔ)器為非易失性存儲(chǔ)器，包括CMOS晶體管與阻變存儲(chǔ)器，阻變存儲(chǔ)器的底電極連接CMOS晶體管的漏端，阻變存儲(chǔ)器為四端操作型器件，所述新型存儲(chǔ)器的讀取操作具體包括如下步驟：1)在晶體管的漏端(BL)進(jìn)行器件的電初始化(FORMING)與置位(SET)步驟，在晶體管的源端(SL)進(jìn)行重置(RESET)操作；2)控制晶體管的柵極施加開啟電壓，在SL端施加讀取電壓Vread，在BL端讀取電流。本發(fā)明通過(guò)采用與RESET同向的讀取方案，在采用大讀取電壓的前提，提高電流差窗口，同時(shí)有效抑制讀干擾。

技術(shù)研發(fā)人員：蔡一茂,王錡深,王宗巍,黃如
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北方集成電路技術(shù)創(chuàng)新中心（北京）有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/10