電阻式隨機存取存儲器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種電阻式隨機存取存儲器，包括多條字線、位線、源極線以及一存儲陣列。存儲陣列，具有多個存儲單元，設置在所述字線與所述位線的交界處，以形成一矩陣。每一存儲單元包括一電阻式存儲裝置與一開關。每一條源極線被配置在兩條字線之間，其中每一條源極線耦接到所述開關的多個源極端，且單獨被一源極線驅(qū)動器所驅(qū)動。源極線驅(qū)動器接收命令信號與地址信號，將源極線的電壓電平改變?yōu)榈谝浑妷弘娖?。當重置操作被施加到一存儲單元時，源極線的電壓電平被設定為第一電壓電平，且當另一個操作被施加被選擇的該存儲單元時，該源極線被接地。本發(fā)明可以通過施加不同的操作電壓來切換存儲器的多種邏輯狀態(tài)，從而進行數(shù)據(jù)存儲。
【專利說明】
電阻式隨機存取存儲器
技術領域
[0001]本發(fā)明關于電阻式隨機存取存儲器，特別是一種電阻式隨機存取存儲器的陣列結(jié)構(gòu)。
【背景技術】
[0002]隨著便攜式應用產(chǎn)品的成長，使得非易失性存儲器的需求有日漸增加的趨勢。在這么多種類的非易失性存儲器中，電阻式隨機存取存儲器由于具有速度、功率、容量、可靠度、制造工藝整合度、以及成本等具競爭力的特性，已被視為下一世代最具有潛力的非易失性存儲器技術。借由輸入特定的操作電壓，應用在電阻式隨機存取存儲器的材料的特性會迅速的在兩種狀態(tài)間切換。設定操作(SET operat1n)與重設操作(RESET operat1n)是通過輸入兩種不同的操作電壓給電阻式隨機存取存儲器，以將電阻式隨機存取存儲器在高電阻狀態(tài)與低電阻狀態(tài)中切換。根據(jù)上述的操作說明，電阻式隨機存取存儲器的邏輯狀態(tài)可根據(jù)施加不同的操作電壓來切換，以達到數(shù)據(jù)存儲的目的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明提供一種電阻式隨機存取存儲器，以根據(jù)施加不同的操作電壓來切換存儲器的邏輯狀態(tài)，以達到數(shù)據(jù)存儲的目的。
[0004]本發(fā)明的一實施例提供一種電阻式隨機存取存儲器，該存儲器包括多條字線、多條位線、一存儲陣列以及多條源極線。該存儲陣列，具有多個存儲單元，設置在所述字線與所述位線的交界處，以形成具有多行與多列的一矩陣，其中每一存儲單元包括一電阻式存儲裝置與一開關。每一條源極線被配置在兩條字線之間，其中每一條源極線耦接到所述開關的多個源極端，每一條源極線都被一源極線驅(qū)動器所驅(qū)動，該源極線驅(qū)動器接收一命令信號與一地址信號，并根據(jù)該命令信號與該地址信號將該源極線的一電壓電平設定為一第一電壓電平。當一重置操作被施加到被選擇的一存儲單元時，該源極線的該電壓電平被設定為該第一電壓電平，且當另一個操作被施加被選擇的該存儲單元時，該源極線被接地。
[0005]本發(fā)明可以通過施加不同的操作電壓來切換存儲器的多種邏輯狀態(tài)，從而進行數(shù)據(jù)存儲。
【附圖說明】
[0006]圖1為根據(jù)本發(fā)明的一電阻式隨機存取存儲單元的一實施例的示意圖。
[0007]圖2A?2D用以說明電阻式隨機存取存儲單元的電壓設定示意圖。
[0008]圖3為根據(jù)本發(fā)明的具有一電阻式隨機存取存儲單元的存儲器陣列結(jié)構(gòu)的一實施例的示意圖。
[0009]圖4為根據(jù)本發(fā)明的具有一共用源極線的多個存儲單元的一實施例的示意圖。
[0010]圖5為根據(jù)本發(fā)明的一實施例的一位線群組方法的示意圖。
[0011]圖6為根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的一位線群組方法的示意圖。
[0012]圖7為根據(jù)本發(fā)明的一電阻式存儲器模組的一實施例的示意圖。
[0013]符號說明:
[0014]10?電阻式存儲單元
[0015]21、351、35j ?存儲單元
[0016]31?感測放大器
[0017]32a、32b?字線驅(qū)動器
[0018]33?位線驅(qū)動器
[0019]34?源極驅(qū)動器
[0020]41?第一存儲單元
[0021]42?第二存儲單元
[0022]43、44 ?MIM 裝置
[0023]71?控制器
[0024]72?字線驅(qū)動器
[0025]73?源極線驅(qū)動器
[0026]74?位線驅(qū)動器
[0027]75?存儲器陣列
[0028]AO?An?趕解碼器
[0029]BL、BLO、BLl、BLn ?位線
[0030]CMD?命令信號
[0031]CSLO?列選擇信號
[0032]D1、D2 ?方向
[0033]MSLO?源極線匯流排
[0034]MffLO?字線匯流排
[0035]SL、SLO、SL1、SL2、SL3 ?源極線
[0036]Tl、T2、T31、T32、T33、T41、T42 ?晶體管
[0037]WL、WL0、WL1、WL2、WL3 ?字線
[0038]A01、A10B、A01B、A0B1B ?位線群
[0039]X_ADD1、Y_ADD1、X_ADDj、X-add1、X-addj、X-addk、X-addl、Y-add1、Y-addj、Y-addk、Y-addl?地址信號
【具體實施方式】
[0040]圖1為根據(jù)本發(fā)明的一電阻式隨機存取存儲單元的一實施例的示意圖。電阻式隨機存取存儲單元包括晶體管Tl與電阻式存儲單元10。電阻式存儲單元10是一電阻式存儲裝置，且電阻式存儲單元(ReRAM cell) 10的電阻值會根據(jù)不同的操作而作對應的改變。而這種具有多種變化的電阻值的特性，正適合用來存儲數(shù)據(jù)。晶體管Tl的柵極連接到一字線WL，其源極連接到一源極線SL，且其漏極連接至電阻式存儲單元10。當一第一狀態(tài)的數(shù)據(jù)要被寫入電阻式存儲單元10時，該設定操作(SEToperat1n)被執(zhí)行，且該位線BL與該源極線SL的一電壓差被以一第一方向Dl施加在電阻式存儲單元10。在設定操作之后，電阻式存儲單元10具有一高電阻值。
[0041]當一第二狀態(tài)的數(shù)據(jù)要被寫入電阻式存儲單元10時，一重設操作(RESEToperat1n)被執(zhí)行，且該位線BL與該源極線SL的一電壓差被以一第二方向D2施加在電阻式存儲單元10。在RESET操作之后，電阻式存儲單元10具有一較低的電阻值，該電阻值是遠低于在SET操作后，電阻式存儲單元10的電阻值。
[0042]當邏輯I要被寫入電阻式存儲單元10時，SET操作被執(zhí)行。當邏輯O要被寫入電阻式存儲單元10時，RESET操作被執(zhí)行。在本實施例中，電阻式存儲單元10可以存儲兩個邏輯電平的數(shù)據(jù)，但本發(fā)明并非僅限于此。電阻式存儲單元10可以根據(jù)在對應SET程序的高電阻值與對應RESET操作的低電阻值之間的電阻值范圍，存儲超過兩種邏輯電平的數(shù)據(jù)。
[0043]存儲在電阻式存儲單元10的數(shù)據(jù)可以通過一感測放大器所讀取，該感測放大器耦接至位線BL。存儲在電阻式存儲單元10的數(shù)據(jù)可以通過流經(jīng)位線BL的感測電流的大小來判斷。感測電流的大小會隨著電阻式存儲單元10的電阻值而改變。舉例來說，當電阻式存儲單元10的是在一 SET狀態(tài)下，電阻式存儲單元10的的電阻值是相對高，因此對應的感測電流的大小也就相對低。當電阻式存儲單元10的是在一 RESET狀態(tài)下，電阻式存儲單元10的電阻值是相對低，因此對應的感測電流的大小也就相對高。根據(jù)這樣的現(xiàn)象，感測放大器可以借由將感測到電流與一參考電流比較，以讀取存儲在電阻式存儲單元10的數(shù)據(jù)。
[0044]圖2A?2D用以表示不同的電阻式存儲器的操作下的電壓設定。圖2A表示電阻式存儲器在一形成(forming)操作下的電壓設定。電阻式存儲單元21親接在一位線BL與晶體管T2的一漏極之間。晶體管T2的柵極耦接至一字線，且晶體管T2的源極耦接至一源極線SL。形成操作只有在電阻式存儲單元21剛制造好的時候會被執(zhí)行一次，之后就不會再次被執(zhí)行。形成操作是借由施加一偏壓電壓到耦接電阻式存儲單元21的位線BL，如3.8V，以在電阻式存儲單元21的氧化層(oxide layer)引發(fā)軟性擊穿(soft breakdown)。軟性擊穿會增加電阻式存儲單元21的漏電流。而當形成操作被執(zhí)行時，晶體管T2的柵極的電壓被上拉到2.3V。
[0045]當邏輯O的數(shù)據(jù)要被寫入電阻式存儲單元21時，RESET操作被執(zhí)行。RESET操作時的電壓設定如圖2B所示。耦接至晶體管T2的柵極的字線的電壓被設定為4V，耦接至晶體管T2的源極的源極線SL的電壓被設定為2V。當邏輯I的數(shù)據(jù)要被寫入電阻式存儲單元21時，SET操作被執(zhí)行。SET操作時的電壓設定如圖2C所示。位線BL的電壓被設定為1.4V，耦接至晶體管T2的柵極的位線WL的電壓被設定在2.3V，而耦接至晶體管T2的源極的源極線SL則被接地。
[0046]當要讀取電阻式存儲單元21的數(shù)據(jù)時，讀取操作時的電壓設定如圖2D所示。耦接至晶體管T2的源極的源極線SL被接地，耦接至晶體管T2的柵極的字線的電壓被設定為3V，感測放大器則借由感測在位線BL的電壓以讀取數(shù)據(jù)。
[0047]根據(jù)上述四種不同操作下的電壓設定，字線的電壓可能會在3種不同的電壓電平中改變。對于現(xiàn)有的存儲器陣列結(jié)構(gòu)來說，越多個不同的電壓電平，其控制方案也就越加困難。
[0048]圖3為根據(jù)本發(fā)明的具一電阻式隨機存取存儲單元的存儲器陣列結(jié)構(gòu)的一實施例的示意圖。在圖3中，只有一部分的存儲器陣列被揭露，本領域技術人員可以根據(jù)本說明書的揭露內(nèi)容以及個人技藝來完成存儲器陣列的其他部分。電阻式存儲單元35i通過晶體管T31耦接至感測放大器31。晶體管T31的柵極接收一列選擇信號(column selectsignal)CSL0，且當晶體管T31導通時，所有耦接到位線BLO的存儲單元都被連接至感測放大器31。在一實施例中，該感測放大器31只有在對存儲單元進行一讀取操作時才會被致能(enabled)。
[0049]存儲單元35i耦接在位線BLO與晶體管T32的漏極之間，其中位線BLO由位線驅(qū)動器33所驅(qū)動。晶體管T32的柵極耦接至一字線WLO，字線WLO由字線驅(qū)動器32a所驅(qū)動。晶體管T32的源極耦接至一源極線SL0，該源極線SLO由一源極驅(qū)動器34所驅(qū)動。借由使用字線驅(qū)動器32a，位線驅(qū)動器33，以及源極驅(qū)動器34，可輕易地對存儲單元35i進行形成，SET，RESET以及讀取操作。
[0050]字線驅(qū)動器32a根據(jù)命令信號CMD與地址信號X_ADDi，控制字線WLO上的電壓。命令信號CMD表示要施加在被選擇的該存儲單元的一操作，該操作可能是一形成操作，一重置操作，一設定操作或一讀取操作。地址信號X_ADDi與地址信號Y_ADDi用以選擇一預定的存儲單元。地址信號X_ADDi表示第i列的存儲單元被選擇到，地址信號Y_ADDi表示第i行的存儲單元被選擇到。當對存儲單元35i進行形成操作時，字線驅(qū)動器32a輸出2.3V的電壓到字線WLO或是將字線WLO的電壓設定為2.3V。當對存儲單元35i進行RESET操作時，字線驅(qū)動器32a輸出4V的電壓到字線WLO或是將字線WLO的電壓設定為4V。當對存儲單元35i進行SET操作時，字線驅(qū)動器32a輸出2.3V的電壓到字線WLO或是將字線WLO的電壓設定為2.3V。當對存儲單元35i進行讀取操作時，字線驅(qū)動器32a輸出3V的電壓到字線WLO或是將字線WLO的電壓設定為3V。
[0051]位線驅(qū)動器33根據(jù)要被施加在存儲單元的操作，控制位線BLO上的電壓。位線驅(qū)動器33接收命令信號CMD與地址信號Y_ADDi，并輸出對應的電壓到位線BLO上。當對存儲單元35i進行形成操作時，位線驅(qū)動器33輸出3.8V的電壓到位線BLO或是將位線BLO的電壓設定為3.8V。當對存儲單元35i進行RESET操作時，位線BLO通過位線驅(qū)動器33被接地。當對存儲單元35i進行SET操作時，位線驅(qū)動器33輸出1.4V的電壓到位線BLO或是將位線BLO的電壓改變至1.4V。當對存儲單元35i進行讀取操作時，感測放大器31讀取位線BLO的電壓以判斷存儲在存儲單元35i的數(shù)據(jù)為何。
[0052]源極線驅(qū)動器34根據(jù)接收到的命令信號CMD與地址信號Y_ADDi，控制源極線SLO上的電壓。在另一實施例中，地址信號Y_ADDi可被替換為地址信號X_ADDi。
[0053]當對存儲單元35i進行RESET操作時，源極線驅(qū)動器34輸出2V的電壓到源極線SLO或是將源極線SLO的電壓改變至2V。當對存儲單元35i進行SET操作、形成操作或是讀取操作時，源極線SLO通過源極線驅(qū)動器34被接地。
[0054]根據(jù)圖3所述的操作，對于電阻式存儲單元進行不同的操作所需的電壓設定，可輕易地通過源極線驅(qū)動器、位線驅(qū)動器以及字線驅(qū)動器所完成。
[0055]在另一實施例中，多條位線被劃分為多個位線群(bit line group)，而所述多條源極線也包括了多條主要源極線(main source line)與多條次要源極線(sub sourceline)，且每一條次要源極線都連接到不同的位線群。在一實施例中，地址信號X_ADDi對應到一主要源極線與一次要源極線。在另一實施例中，地址信號X_ADDi對應到一主要源極線，而地址信號Y_ADDi對應到一次要源極線。在另一實施例中，所述多條字線包括了多條主要字線(main word line)與多條次要字線(sub word line)，且每一條次要字線都連接到不同的位線群，其中地址信號X_ADDi對應到一主要字線與一次要字線。
[0056]在一些實施例中，存儲單元的定義并不包括開關裝置，如圖2A?2D中的晶體管T2。在另一些實施例中，存儲單元的定義是包括開關裝置。請參考圖4。圖4為根據(jù)本發(fā)明的具有一共用源極線的多個存儲單元的一實施例的示意圖。第一存儲單元41與第二存儲單元42都耦接到一位線BLO與一共用的源極線SL0。第一存儲單元41耦接到字線WL0,而第二存儲單元42耦接到字線WL1，其中，舉例來說，共用的源極線SLO是被設置在字線WLO與字線WLl之間。在一個例子中，第一存儲單元41包括一金屬-絕緣體-金屬(Metal-1nsulator-Metal，MIM)裝置43，其中M頂裝置43耦接到晶體管T41與位線BL0。晶體管T41根據(jù)通過字線WLO接收到的一控制信號將M頂裝置43耦接到源極線SLO。在其他的實施例中，MIM裝置可以被其他的電阻式存儲裝置所代替。
[0057]當邏輯I要被寫入第一存儲單元41時，SET操作被施加在M頂裝置43上，且M頂裝置43的電阻值因此變高。當邏輯O要被寫入第一存儲單元41時，RESET操作被施加在MIM裝置43上，M頂裝置43的電阻值因此變低，且是相對低于M頂裝置43被施加SET操作后，M頂裝置43的電阻值。
[0058]借由使用共用的源極線，存儲器陣列的大小可以有效的被減少，且源極驅(qū)動器的數(shù)量也因此減少。
[0059]在一些實施例中，所有的位線在一 RESET操作前，都會被預先充電到1.4V，而只有被選擇到的位線的電位會被驅(qū)動到0V。這一來就表示其他的位線的電位仍然是維持在
1.4V，而這對電阻式存儲器造成了很大的電源負擔，而且是在高密度的電阻式存儲陣列中，降低效能的最主要因素。
[0060]圖5為根據(jù)本發(fā)明的一實施例的一位線群組方法的示意圖。在圖5中，位線群組方法是根據(jù)對應到字線的地址信號X_ADDi來實現(xiàn)。在圖5中，根據(jù)本地字線(local wordline)X地址O與X地址1，將多條位線區(qū)分為4個位線群A01、A10B、A01B、A0B1B。在圖5上可以看到這4個位線群分別耦接字線WL3、WL2、WL1、WL0，通過行解碼器A2?An、字線WL3、WL2、WLUWLO可讓被選擇到的位線所屬的位線群內(nèi)的所有位線會被預先充電到1.4V，而屬于沒被選擇到的位線群內(nèi)的位線則維持在0V。在一實施方式中，字線WL0、WL1、WL2、WL3分別耦接位線BLO?BLn的部分位線。在一實施例中，字線匯流排MffLO耦接字線WLO、WLl、WL2與WL3，行解碼器通過字線匯流排MffLO控制字線WLO、WL1、WL2與WL3的導通。
[0061 ] 圖6為根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的一位線群組方法的示意圖。在圖6中，位線群組方法是根據(jù)對應到源極線的地址信號X_ADD或Y_ADD來實現(xiàn)。在圖6中，地址信號X_addi或Y_addi對應到的是位線SL0，地址信號X_addj或Y_addj對應到的是位線SLl，地址信號X_addk或Y_addk對應到的是位線SL2而地址信號X_addl或Y_addl對應到的是位線SL3。多條位線根據(jù)源極線SLO、SLU SL2以及SL3被區(qū)分為4個位線群，通過行解碼器、源極線SL0、SL1、SL2、SL3以及地址信號X_ADD或Y_ADD可讓被選擇到的位線所屬的位線群內(nèi)的所有位線會被預先充電到1.4V，而屬于沒被選擇到的位線群內(nèi)的位線則維持在0V。在一實施方式中，源極線SLO、SLl、SL2、SL3分別耦接位線BLO?BLn的部分位線。在一實施例中，源極線匯流排MSLO耦接源極線SLO、SLl、SL2與SL3，行解碼器通過源極線匯流排MSLO控制位線源極線SLO、SLU SL2與SL3的狀態(tài)。
[0062]圖7為根據(jù)本發(fā)明的一電阻式存儲器模組的一實施例的示意圖。電阻式存儲器模組包括控制器71、字線驅(qū)動器72、源極線驅(qū)動器73、位線驅(qū)動器74以及存儲器陣列75。控制器71還包括一地址解碼器以解碼行地址(Y-address)與列地址(X_address)。當存儲器陣列75內(nèi)的一存儲單元被選擇，且一操作，如RESET操作或SET操作，要被施加在被選擇的存儲單元時，控制器71會傳送一命令信號與一地址信號給字線驅(qū)動器72、源極線驅(qū)動器73以及位線驅(qū)動器74。字線驅(qū)動器72、源極線驅(qū)動器73以及位線驅(qū)動器74會根據(jù)接收到的命令信號與地址信號，分別輸出對應的電壓。詳細的電壓設定說明可參考圖2A?2D以及圖3。
[0063] 雖然本發(fā)明已以具體實施例揭露如上，然其僅為了易于說明本發(fā)明的技術內(nèi)容，而并非將本發(fā)明狹義地限定于該實施例，任何所屬技術領域中的技術人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當可作些許的更動與潤飾，因此本發(fā)明的保護范圍當視所附的權(quán)利要求所界定的為準。
【主權(quán)項】
1.一種存儲器，其特征在于，包括: 多條字線； 多條位線； 一存儲陣列，具有多個存儲單元，設置在所述字線與所述位線的交界處，以形成具有多行與多列的一矩陣，其中每一存儲單元包括一電阻式存儲裝置與一開關；以及 多條源極線，每一條源極線被配置在兩條字線之間，其中每一條源極線耦接到所述開關的多個源極端，每一條源極線都被一源極線驅(qū)動器所驅(qū)動，該源極線驅(qū)動器接收一命令信號與一地址信號，并根據(jù)該命令信號與該地址信號將該源極線的一電壓電平設定為一第一電壓電平； 其中當一重置操作被施加到被選擇的一存儲單元時，該源極線的該電壓電平被設定為該第一電壓電平，且當另一個操作被施加被選擇的該存儲單元時，該源極線被接地。2.如權(quán)利要求1所述的存儲器，其特征在于，每一字線都被一字線驅(qū)動器所驅(qū)動，且該字線驅(qū)動器接收該命令信號與該地址信號，并根據(jù)該命令信號與該地址信號控制該字線的一電壓電平。3.如權(quán)利要求2所述的存儲器，其特征在于，該地址信號包括一X_ADD信號與一 Y_ADD信號，該源極線驅(qū)動器接收該Y_ADD信號，且該字線驅(qū)動器接收該X_ADD信號。4.如權(quán)利要求2所述的存儲器，其特征在于，該命令信號用以表示要施加在被選擇的該存儲單元的一操作，該操作可能是一形成操作、一重置操作、一設定操作或一讀取操作。5.如權(quán)利要求2所述的存儲器，其特征在于，該字線驅(qū)動器根據(jù)要施加在被選擇的該存儲單元的一操作以及由該命令信號表示關于該操作的信息去控制該字線的該電壓電平。6.如權(quán)利要求1所述的存儲器，其特征在于，每一位線都被一位線驅(qū)動器所驅(qū)動，且該位線驅(qū)動器接收該命令信號與該地址信號，并根據(jù)該命令信號與該地址信號控制該位線的一電壓電平。7.如權(quán)利要求6所述的存儲器，其特征在于，該位線驅(qū)動器根據(jù)要施加在被選擇的該存儲單元的一操作以及由該命令信號表示關于該操作的信息去控制該位線的電壓電平。8.如權(quán)利要求1所述的存儲器，其特征在于，所述位線被分為多個位線群，所述源極線包括多條主源極線以及多條次源極線，且每一次源極線被耦接到不同的位線群。9.如權(quán)利要求8所述的存儲器，其特征在于，該地址信號包括一X_ADD信號，該X_ADD信號對應到一主要源極線以及一次要源極線。10.如權(quán)利要求8所述的存儲器，其特征在于，該地址信號包括一X_ADD信號以及一 Y_ADD信號，該X_ADD信號對應到一主要源極線，該Y_ADD信號對應到一次要源極線。11.如權(quán)利要求1所述的存儲器，其特征在于，所述位線被分為多個位線群，所述字線包括多條主字線以及多條次字線，且每一次字線被耦接到不同的位線群。12.如權(quán)利要求11所述的存儲器，其特征在于，該地址信號包括一X_ADD信號，該X_ADD信號對應到一主字線以及一次字線。13.如權(quán)利要求1所述的存儲器，其特征在于，每一條源極線被連續(xù)兩條字線共用。
【文檔編號】G11C13/00GK105869670SQ201510024293
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2015年1月19日
【發(fā)明人】崔明燦
【申請人】華邦電子股份有限公司