CN101783170B - 驱动电阻转变型存储器实现多值存储的电路及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用电容驱动电阻转变型存储器实现多值存储的电路及方法。该电路由多个用以存储电能且具有不同容值的电容、多个电压源、一电阻转变型存储器和一开关转换电路构成，所述多个电容通过开关转换电路连接于所述多个电压源和所述电阻转变型存储器。该方法将不同容值的电容充电到相同的电压，或将相同电容充电到不同电压，使电容存储有不同的电能；然后利用该存储有不同电能的电容作为信号激励源驱动电阻转变型存储器，改变电阻转变型存储器的电阻状态，使电阻转变型存储器达到不同的电阻状态，实现多值存储。利用本发明，采用简单的电路驱动电阻转变型存储器实现多值存储，在相同的器件面积情况下实现更高密度的存储。

Description

驱动电阻转变型存储器实现多值存储的电路及方法
技术领域
本发明涉及微电子器件及存储器技术领域，尤其是一种利用电容驱动电阻转变型存储器实现多值存储的电路及方法。
背景技术
消费类电子产品市场爆炸式的增长，使得非挥发半导体存储器(目前以闪存为代表)的市场飞速的增长，预计其市场总值将很快超过动态随机存储器。但是，基于浮栅结构的传统非易失性存储器在尺寸缩小化方面正遇到走越来越大的困难。这主要是因为，浮栅型存储器通过在多晶硅浮栅中存储或擦除电荷由此改变MOS管的阈值电压来实现信息的记录。为了能将电荷保存在浮栅中10年以上，隧穿氧化层的厚度不能过度减小，在浮栅存储器缩小化过程中，这一隧穿氧化层几乎没有减小，使浮栅存储器在65nm以下遇到了缩小化技术瓶颈。同时这样的隧穿氧化层厚度又限制了浮栅存储器的编程和擦除速度的提高。因此，以高密度、低功耗、快操作速度为特征的下一代非挥发性半导体存储器成为目前的科研热点，其候选技术包括相变存储器(PCRAM)、铁电存储器(FeRAM)、磁存储器(MRAM)和阻变存储器(ReRAM)。
电阻转变存储器(resistive random access memory)技术是以材料的电阻在电压的控制下可以在多阻态之间实现可逆转换为基础的。已有多种类型的材料体系被证明具有电阻转变特性：(1)有机聚合物，如聚酰亚胺(PI)、AIDCN以及CuTCNQ等；(2)多元金属氧化物，如磁阻材料Pr0.7Ca0.3MnO3和La0.7Ca0.3MnO3等，掺杂的SrTiO3和SrZrO3等；(3)二元过渡族金属氧化物，如NiO、Nb2O5、CuOx、ZrO2、HfO2、Ta2O5、TiO2等；(4)固态电解液材料，如CuS，AgS，AgGeSe等。其中二元过渡金属氧化物因其组分简单，与传统的CMOS工艺技术兼容性而受到了特别的重视，非常有可能应用于电阻转变型存储器中。电阻转变器件一般制做成MIM(金属-转变材料层-金属)形的三夹层结构，两边是金属电极，中间是具有电阻转变功能的材料层。
电阻转变型存储器分双极性、单极性和无极性三类。双极性器件要求驱动电阻由高变低和由低变高的电压极性相反，而单极性的则相同，无极性的正反电压都可以。目前对电阻转变的机制还没有定论，最普遍的一种理论是认为在高电场作用下，薄膜内部形成了连通两边电极的导电细丝，从而使器件变为低电阻。当细丝中通过大电流时，会产生足够的焦耳热，破坏导电细丝，器件又回复到高电阻状。但是也有其它的解释机制，如认为电阻改变是由功能材料与电极介面处的肖特基势垒高度的改变引起以及材料内部电荷陷阱捕获或释放电荷引起。已经有很多研究表明电阻转变过程中，对器件施加的能量与最后的电阻状态有密切的关系。多值存储是当前电阻转变型存储器研究的重要议题之一，已经制做出很多电阻型器件，在适当的电压作用下，能够达到多种阻值的状态。
发明内容
(一)要解决的技术问题
用简单的驱动方式实现电阻转变型存储器的多值存储，即每个存储单元存储多个比特信息。因为电阻转变型存储器以电阻值来存储信息，如果器件的电阻能够处于多个稳定的电阻态，就可以实现多值存储。但是驱动电阻型器件在各阻态之间转换需要一定的电压条件，例如最大电流限定值或脉冲驱动个数。已有的研究结果表明，电阻转变型存储器所转变到的电阻态与受到的电信号激励量(电流或能量)密切相关。如果用充有不同电能的电容去驱动相同的电阻转变型器件，因为施加的驱动能量不同，因此就能驱动电阻转变型存储器实现多值存储。有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种利用电容驱动电阻转变型存储器实现多值存储的电路及方法，以实现多值存储。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种利用电容驱动电阻转变型存储器实现多值存储的电路，该电路由多个用以存储电能且具有不同容值的电容、多个电压源、一电阻转变型存储器和一开关转换电路构成，所述多个电容通过开关转换电路连接于所述多个电压源和所述电阻转变型存储器。
上述方案中，所述开关转换电路将某一电容耦连至某一电压源，使所述电容充电存储电能，该存储电能的电容通过所述开关转换电路转接到电阻转变型存储器，对该电阻转变型存储器施加电激励，使该电阻转变型存储器发生电阻转变，同时自身电压在放电过程中不断减小直到接近零。
上述方案中，所述不同容值的电容充电到相同的电压时，或相同电容充到不同的电压时，存储的电能不相同，利用它们作为信号激励源来驱动电阻转变型存储器发生电阻状态改变，使电阻转变型存储器达到不同的电阻状态，从而实现多值存储。
上述方案中，所述电阻转变型存储器在一定条件的电信号的激励作用下，电阻会发生变化，电阻在两个或多个状态保持稳定，电阻状态在没有电压作用时能够保持。
为达到上述目的，本发明还提供了一种利用电容驱动电阻转变型存储器实现多值存储的方法，该方法将不同容值的电容充电到相同的电压，或将相同电容充电到不同电压，使电容存储有不同的电能；然后利用该存储有不同电能的电容作为信号激励源驱动电阻转变型存储器，改变电阻转变型存储器的电阻状态，使电阻转变型存储器达到不同的电阻状态，实现多值存储。
(三)有益效果
本发明提供的这种利用电容驱动电阻转变型存储器实现多值存储的电路及方法，采用简单的电路驱动电阻转变型存储器实现多值存储，在相同的器件面积情况下实现更高密度的存储。
附图说明
图1是电阻转变型存储器在电压脉冲作用下电阻发生变化的示意图；电阻转变型器件在正电压脉冲作用下电阻变低，且脉冲作用数越多，电阻越小，在负电压脉冲作用下电阻变大。
图2是用多个电容驱动电阻转变型存储器实现多值存储的电路示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供了一种利用电容存储能量驱动电阻转变型存储器进行状态转换实现多值存储的方法。其基本原理是利用存储有不同电能的电容作为激励源去驱动电阻转变型存储器使之发生电阻转变，因为对电阻转变型存储器的电激励量不同，使电阻转变型存储器转变到的电阻状态也不同，从而实现了多值存储。
本发明提供的这种利用电容驱动电阻转变型存储器实现多值存储的电路，由多个用以存储电能且具有不同容值的电容、多个电压源、一电阻转变型存储器和一开关转换电路构成，所述多个电容通过开关转换电路连接于所述多个电压源和所述电阻转变型存储器。
开关转换电路将某一电容耦连至某一电压源，使所述电容充电存储电能，该存储电能的电容通过所述开关转换电路转接到电阻转变型存储器，对该电阻转变型存储器施加电激励，使该电阻转变型存储器发生电阻转变，同时自身电压在放电过程中不断减小直到接近零。
不同容值的电容充电到相同的电压时，或相同电容充电到不同电压时，存储的电能不相同，利用它们作为信号激励源来驱动电阻转变型存储器发生电阻状态改变，使电阻转变型存储器达到不同的电阻状态，从而实现多值存储。
电阻转变型存储器在一定条件的电信号的激励作用下，电阻会发生变化，电阻在两个或多个状态保持稳定，电阻状态在没有电压作用时能够保持。
本发明提供的这种利用电容驱动电阻转变型存储器实现多值存储的方法，将不同容值的电容充电到相同的电压，或将相同电容充电到不同电压，使电容存储有不同的电能；然后利用该存储有不同电能的电容作为信号激励源驱动电阻转变型存储器，改变电阻转变型存储器的电阻状态，使电阻转变型存储器达到不同的电阻状态，实现多值存储。
在图2中电路中有三个不同容值的电容和三个不同的电压源，通过开关电路选择一个电容C1耦接到一个电压源V1，使其充电至V1，然后开关电路将电容C1转接到电阻存储器两端，C1放电，电阻存储器在激励下转变到电阻态1。如果在上面的步骤中用C2代替C1，因为电阻器件受到的电激励不同，它将会转到不同的电阻态2。同样的C3也会把电阻器件驱动到电阻态3。如果将电容充电到电压V2，则能驱动电阻转变器件达到另外三个不同的电阻状态。这样就实现了多值存储。
本发明并不局限于上述具体的实施方式，其核心内容是不同的电容充电至两端电压相同时，或同一电容充电到不同电压时，存储能量不同，用以驱动电阻存储器会使之达到不同电阻状态。在实际应用中对此技术的合理变更均应认为在本专利权利范围之内。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种利用电容驱动电阻转变型存储器实现多值存储的电路，其特征在于，该电路由多个用以存储电能且具有不同容值的电容、多个电压源、一电阻转变型存储器和一开关转换电路构成，所述多个电容通过开关转换电路连接于所述多个电压源和所述电阻转变型存储器;
其中，所述开关转换电路将某一电容耦连至某一电压源，使所述电容充电存储电能，该存储电能的电容通过所述开关转换电路转接到电阻转变型存储器，对该电阻转变型存储器施加电激励，使该电阻转变型存储器发生电阻转变，同时电容电压在放电过程中不断减小直到接近零;
所述不同容值的电容充电到相同的电压时，或相同电容充电到不同电压时，存储的电能不相同，利用存储的该电能作为信号激励源来驱动电阻转变型存储器发生电阻状态改变，使电阻转变型存储器达到不同的电阻状态，从而实现多值存储。
2.根据权利要求1所述的利用电容驱动电阻转变型存储器实现多值存储的电路，其特征在于，所述电阻转变型存储器在一定条件的电信号的激励作用下，电阻会发生变化，电阻在多个状态保持稳定，电阻状态在没有电压作用时能够保持。
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