TWI713586B - 用於互補式非揮發性記憶體裝置操作的方法、系統及裝置（一） - Google Patents

用於互補式非揮發性記憶體裝置操作的方法、系統及裝置（一） Download PDF

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Abstract

本案揭示用於雙重非揮發性記憶體裝置之操作的方法、系統及裝置。在一個態樣中，一對串聯耦接的非揮發性記憶體裝置可在寫入操作中藉由控制施加至非揮發性記憶體裝置端子的電流及電壓而置於互補記憶體狀態，或多個記憶體狀態中之任何一者。

Description

用於互補式非揮發性記憶體裝置操作的方法、系統及裝置 (一) 相關申請案之交互參照
本申請案係關於申請於2015年9月22日、標題為「METHOD,SYSTEM AND DEVICE FOR COMPLEMENTARY NON-VOLATILE MEMORY DEVICE OPERATION(用於互補式非揮發性記憶體裝置操作的方法、系統及裝置)」之美國專利申請案第14/862,023號，該案以引用之方式全部併入本案中。
本案揭示用於利用記憶體裝置之技術。
非揮發性記憶體是一記憶體類別，在該類別中，在供應至裝置的功率被移除之後，記憶體單元或元件不丟失其狀態。例如，最早期的電腦記憶體由可在兩個方向上磁化的鐵氧體環製成，該等記憶體是非揮發性的。隨著半導體技術發展到更高的微型化水準，已棄用鐵氧體體裝置而改用更廣為熟知的揮發性記憶體，該等揮發性記憶體如動態隨機存取記憶體(dynamic random access memories；DRAM)及靜態隨機存取記憶體(static random access memory；SRAM)。
一種類型的非揮發性記憶體，即電可抹除可程式化唯讀記憶體(electrically erasable programmable read-only memory；EEPROM)裝置，具有較大單元面積，且可在電晶體閘極上需要較大電壓(例如從12.0到21.0伏)以寫入或抹除。同樣，抹除或寫入時間通常為數十微秒數量級。EEPROM的一個限制因素是有限數目之抹除/寫入循環，僅僅略高於600,000或105-106數量級。半導體工業已藉由對記憶體陣列進行分區，以使得在被稱作快閃記憶體裝置之EEPROM中可一次性抹除「頁」(例如子陣列)，而消除了對EEPROM與非揮發性電晶體之間的穿通閘極開關電晶體的需求。在快閃記憶體裝置中，保持隨機存取(抹除/寫入單個位元)的能力為了速度及更高的位元密度而受損。
近年來，鐵電體RAM(Ferroelectric RAM；FeRAM)已提供了低功率、較高寫入/讀取速度，及超過一百億次的讀取/寫入循環耐久度。同樣，磁性記憶體(magnetic memory；MRAM)已提供較高寫入/讀取速度及耐久度，但成本費用高昂，且功耗更高。該等技術無一達到例如快閃記憶體裝置之密度。因而，快閃記憶體仍是首選非揮發性記憶體。然而，普遍認為快閃記憶體技術可能不易於縮小至65奈米以下；因而，目前正積極尋找能夠縮小至更小尺寸的新非揮發性記憶體裝置。
考慮用於替換快閃記憶體裝置之技術已包括根據某些材料之記憶體，該等材料展現與材料相變(至少部分地由晶體結構中長程有序之原子而決定)關連之電阻變化。在一種稱為相變記憶體(phase change memory；PCM/PCRAM)裝置之可變電阻記憶體中，隨著記憶體元件短暫熔融及隨後冷卻至導電結晶狀態或非導電非晶狀態而發生電阻變化。典型材料各異且可包括GeSbTe，其中Sb及Te可與元素週期表上具有相同或類似性質的其他元素互換。然而，該等基於電阻之記憶體尚未被證明在商業上有用，因為該等記憶體在導電狀態與絕緣狀態之間的轉變取決於物理結構現象(例如在高達600℃下熔融)及變回固態，此對於諸多應用中之實用記憶體而言是無法充分控制的。
另一可變電阻記憶體類別包括某些材料，該等材料回應於初始較高「形成」電壓及電流以活化可變電阻功能。該等材料可包括例如：PrxCayMnzOε，其中x、y、z及ε表示變化之化學計量；過渡金屬氧化物，如CuO、CoO、VOx、NiO、TiO2、Ta2O5；及一些鈣鈦礦，如Cr；SrTiO3。該等記憶體類型中數個類型是現有類型，且屬於電阻RAM(resistive RAM；ReRAM)或導電橋RAM(conductive bridge RAM；CBRAM)分類以區別於硫屬化物類型記憶體。假定該等RAM中之電阻切換至少部分地歸因於端子電鑄製程而形成的連接上下導電端子的狹窄導電路徑或纖絲之形成，但該等導電纖絲之存在仍是爭議問題。由於ReRAM/CBRAM之操作隨溫度而大幅變化，因此ReRAM/CBRAM中之電阻開關機構亦可隨溫度而大幅變化。此外，在纖絲之形成及運動是隨機時，該等系統可隨機操作。其他類型之ReRAM/CBRAM亦可展現不穩定的品質。而且，ReRAM/CBRAM中之電阻切換經過許多記憶體循環之後趨於疲勞。亦即，在記憶體狀態變化多次之後，導電狀態與絕緣狀態之間的電阻差異可顯著變化。在商售記憶體裝置中，該種變化可使得記憶體不符規格，從而使其不適合使用。
鑒於形成隨時間經過及隨溫度變化而穩定的薄膜電阻切換材料之固有困難，可工作電阻切換記憶體仍是一個挑戰。此外，由於強電流、電鑄、在合理溫度及電壓範圍內沒有可量測的記憶體讀取或寫入訊窗，及諸如隨機特性等諸多其他問題，迄今開發的全部電阻切換機構已固有地不適合用於記憶體。因而，該項技術中仍需要一種確定具有低功率、高速度、高密度及穩定性之非揮發性記憶體，且特定而言，可縮放至遠小於65奈米之特徵尺寸的記憶體。
一種裝置，包含：複數個串聯連接非揮發性記憶體元件，其中非揮發性記憶體元件中之第一者連接至參考節點，該複數個非揮發性記憶體元件可操作以：在第一模式下儲存第一符號或值，其中非揮發性記憶體元件中之至少一第一者處於第一阻抗狀態且非揮發性記憶體元件中之至少一第二者處於第二阻抗狀態；在第二模式下儲存第二符號或值，其中非揮發性記憶體元件中之至少一第二者處於第一阻抗狀態且非揮發性記憶體元件中之至少一第一者處於第二阻抗狀態；該裝置進一步包含：第一導電元件，經配置以在裝置處於第二模式時將參考節點連接至帶電位元線，且在裝置處於第一模式時使參考節點與帶電位元線斷開。
一種方法，包含：在第一寫入操作中，將第一位元線連接至第一非揮發性記憶體元件之第一端子並連接至第二非揮發性記憶體元件之第一端子，以儲存第一符號或值；該等非揮發性記憶體元件經串聯連接且可操作以在第一模式下儲存第一符號或值，該第一模式使得第一非揮發性記憶體元件處於第一阻抗狀態，且使得第二非揮發性記憶體元件處於第二阻抗狀態；及可操作以在第二模式下儲存第二符號或值，該第二模式使得第一非揮發性記憶體元件處於第二阻抗狀態下，且使得第二非揮發性記憶體元件處於第一阻抗狀態下。
本揭示案之特定態樣包括相關性電子材料(correlated electron material; CEM)以形成相關性電子開關(correlated electron switch; CES)。在此情景中，CES可展現由於電子相關性而非固態結構相變（例如相變記憶體(phase change memory; PCM)裝置中之結晶/非晶形變化或電阻RAM裝置中之纖絲形成及導電變化，如上文所論述）而產生的急劇導體/絕緣體轉變。在一個態樣中，CES中之急劇導體/絕緣體轉變可回應於量子機械現象，與例如熔融/凝固或成絲相反。在CES記憶體裝置中，導電狀態與絕緣狀態之間的該種量子機械轉變可在數個態樣中任一態樣中理解。
在一個態樣中，絕緣狀態與導電狀態之間的CES量子機械轉變可根據莫特轉變而理解。在莫特轉變中，如若發生莫特轉變條件，則材料可從絕緣狀態切換至導電狀態。該準則可由條件(nC )1/3 a=0.26定義，其中nC 是電子濃度及「a」是波爾半徑。如若達到臨限載流子濃度以滿足莫特準則，則可發生莫特轉變，且狀態可從高電阻/電容變化至低電阻/電容。
在一個態樣中，莫特轉變可由電子定域而控制。當載流子定域時，電子之間的強大庫侖相互作用分裂材料能帶，從而產生絕緣體。如若電子不再定域，則微弱的庫侖相互作用可支配能帶分裂，從而保留金屬（導電）能帶。此情況有時被解釋為「擁擠電梯」現象。當電梯中僅有少數人時，人可輕易四處移動，此舉類似於導電狀態。另一方面，在電梯達到某一人員濃度之時，乘客無法再移動，此情況類比於絕緣狀態。然而，應理解，與量子現象之所有典型說明相類似，為達到說明性目的而提供的此典型解釋僅為不完全的類比，且所請求標的物並非限定於此。
在本揭示案之態樣之特定實施方式中，電阻切換積體電路記憶體可包含：電阻切換記憶體單元，包括CES裝置；寫入電路，用於依據提供至記憶體裝置的信號而使電阻切換記憶體單元置於第一電阻狀態或第二電阻狀態，其中CES在第二電阻狀態下的電阻高於在第一電阻狀態下之電阻；及讀取電路，用於感測記憶體單元狀態及提供對應於所感測之記憶體單元狀態的電信號。在一個態樣中，第二記憶體單元狀態中之CES電阻可超過第二記憶體單元狀態中電阻的100倍。在一特定實施方式中，CES裝置可回應於在CES裝置之大多數體積中發生的莫特轉變而切換電阻狀態。在一個態樣中，CES裝置可包含一材料，該材料選自包含以下各者之群組：鋁、鎘、鉻、鈷、銅、金、鐵、錳、汞、鉬、鎳、鈀、錸、釕、銀、錫、鈦、釩及鋅（上述各者可與諸如氧之陽離子或其他種類之配位體連接），或上述各者之組合。
在一特定實施例中，CES裝置可形成為「CEM隨機存取記憶體(CEM random access memory; CeRAM)」裝置。在此情景中，CeRAM裝置包含一材料，該材料可至少部分地基於材料中之至少一部分在利用量子機械莫特轉變進行的導電狀態與絕緣狀態之間的轉變而在複數個預定的可偵測記憶體狀態之間轉變。在此情景中，「記憶體狀態」意謂著記憶體裝置之可偵測狀態，該狀態可指示值、符號、參數及/或條件，僅用以提供幾個實例。在一個特定實施方式中，如下所述，可至少部分地基於在讀取操作中於記憶體裝置端子上偵測到的信號而偵測記憶體裝置之記憶體狀態。在另一特定實施方式中，如下所述，記憶體裝置可藉由在「寫入操作」中橫跨記憶體裝置之端子施加一或更多個信號，而置於特定記憶體狀態以表示或儲存特定值、符號或參數。
在一特定實施方式中，CES元件可包含夾在導電端子之間的材料。藉由在端子之間施加特定電壓及電流，材料可在前述導電狀態與絕緣記憶體狀態之間轉變。如下文之特定示例性實施方式中所論述，夾在導電端子之間的CES元件之材料可藉由橫跨具有電壓V重設 與電流I重設 之端子施加第一程式化信號而置於絕緣或高阻抗記憶體狀態，或藉由橫跨具有電壓V設定 與電流I設定 之端子施加第二程式化信號而置於導電或低阻抗記憶體狀態。在此情景中，應理解，諸如「導電或低阻抗」記憶體狀態及「絕緣或高阻抗」記憶體狀態之術語是相對術語，且並非特定於任何特定阻抗或導電性之量或值。例如，當記憶體裝置處於被稱作絕緣或高阻抗記憶體狀態的第一記憶體狀態時，一個態樣中之記憶體裝置的導電性低於（或絕緣性高於）處於被稱作導電或低阻抗記憶體狀態之第二記憶體狀態中之記憶體裝置的導電性。
在一特定實施方式中，CeRAM記憶體單元可包含形成於半導體上之金屬/CEM/金屬(M/CEM/M)堆疊。該種M/CEM/M堆疊例如可形成於二極體上。在一示例性實施方式中，該種二極體可選自由接面二極體及肖特基二極體組成之群組。在此情景中，應理解，「金屬」意謂著導體，亦即任何特性類似於金屬之材料，包括例如多晶矽或摻雜半導體。
第1A圖圖示根據一實施例的CES裝置之橫跨端子（未圖示）之電流密度對電壓的曲線圖。至少部分地基於施加至CES裝置端子之電壓（例如在寫入操作中），CES可置於導電狀態或絕緣狀態。例如，電壓V設定 及電流密度J設定 之施加可使CES裝置置於導電記憶體狀態，且電壓V重設 及電流密度J重設 之施加可使CES裝置置於絕緣記憶體狀態。使CES置於絕緣狀態或導電狀態之後，可藉由施加電壓V讀取 （例如在讀取操作中）及偵測在CES裝置端子處的電流或電流密度來偵測CES裝置之特定狀態。
根據一實施例，第1A圖之CES裝置可由可變電阻材料形成，該等材料從第一電阻狀態切換至第二電阻狀態，其中第二電阻狀態具有至少比第一電阻狀態高十倍的電阻，且電阻變化主要源於電子定域，如上文所論述。在特定實施方式中，CES裝置之可變電阻材料可包括任何TMO，例如鈣鈦礦、莫特絕緣體、電荷交換絕緣體，及安德森無序絕緣體。在特定實施方式中，CES裝置可由諸如氧化鎳、氧化鈷、氧化鐵、氧化釔之切換材料及諸如鉻摻雜鈦酸鍶、鈦酸鑭之鈣鈦礦，及包括主四錳酸鈣(praesydium calcium manganate)及主四錳酸鑭(praesydium lanthanum manganite)之錳酸鹽族形成，僅舉少數實例。特定而言，包括具有殘缺的d及f軌道殼層之元素的氧化物可展現用於CES裝置中之充足的電阻切換性質。在一實施例中，CES裝置可在無電鑄之情況下得以準備。其他實施方式可在不背離所請求標的物之情況下使用其他過渡金屬化合物。例如，{M(chxn)2 Br}Br2 ，其中M可包括Pt、Pd，或Ni，及chxn包含1R,2R-環己烷二胺，且可在不違背請求之標的之範疇的情況下使用其他該種金屬錯合物。
在一個態樣中，第1A圖之CES裝置可包含為TMO金屬氧化物可變電阻材料之材料，但應理解，該等材料僅為實例，且並不意欲限制所請求之標的物。特定實施方式亦可使用其他可變電阻材料。氧化鎳（NiO）經揭示為一個特定TMO。本案論述之NiO材料可摻雜有外來配位體，該等配位體可穩定可變電阻的性質。特定而言，本案揭示之NiO可變電阻材料可包括含碳配位體，該配位體可藉由NiO(Cx )指示。在此，熟習該項技術者可藉由平衡原子價即可決定任何特定含碳配位體及含碳配位體與NiO之任何特定組合之x值。在另一特定實例中，摻雜外來配位體之NiO可表示為NiO(Lx )，其中Lx 是配位體元素或化合物且x指示用於一個NiO單元之配位體單元數目。熟習該項技術者可藉由平衡原子價即可決定任何特定配位體及配位體與NiO或任何其他過渡金屬之任何特定組合之x值。
如若施加充足的偏壓（例如，超過能帶分裂電位）並滿足前述的莫特條件（切換區域中之注入電洞等於電子），則CES裝置可經由莫特轉變而快速從導電狀態切換至絕緣體狀態。此情況可在第1A圖中之繪圖的點108處發生。在此點處，電子不再被屏蔽，而被定域。此相關性可產生強大的電子間相互作用電位，此電位使能帶分裂以形成絕緣體。在CES裝置仍處於絕緣狀態之時，可藉由電洞傳輸而生成電流。如若橫跨全部CES端子施加充足偏壓，則可越過金屬絕緣體金屬(metal-insulator-metal; MIM)裝置之電位阻障而將電子注入MIM二極體。如若已注入充足電子及對全部端子施加充足電位以使CES裝置置於設定狀態，則電子增多可屏蔽電子且移除電子定域，此舉可使形成金屬之能帶分裂電位崩潰。
根據一實施例，CES裝置之電流可由外部施加的「順應」條件控制，該條件至少部分地基於在寫入操作期間限制以使CES裝置置於絕緣狀態的外部電流而決定。此外部施加之順應電流亦可設定電流密度條件，以用於隨後的重設操作，以使CES置於導電狀態。如第1A圖之特定實施方式所示，於寫入操作期間在點116處施加以使CES裝置置於絕緣狀態之電流密度J順應 可決定在後續寫入操作中使CES裝置置於導電狀態的順應性條件。如圖所示，CES裝置可隨後在點108處在電壓V重設 下藉由施加電流密度J重設 ≧J順應 而置於導電狀態，其中J順應 從外部施加。
因此，順應性可設定在莫特轉變中在CES裝置中將被電洞「捕獲」的電子數目。換言之，在寫入操作中經施加以使CES裝置置於導電記憶體狀態的電流可決定將注入CES裝置之電洞的數目，該等電洞用於隨後將CES裝置轉變至絕緣記憶體狀態。
如上文指出，重設條件可回應於點108處之莫特轉變而出現。如上文指出，該種莫特轉變可在CES裝置中的一條件下發生，在該條件下，電子濃度n等於電洞濃度p。此條件可根據表達式(1)模型化如下：
Figure 02_image001
其中 λTF 是托馬斯-費米屏蔽長度；及 C是恆定值。
根據一實施例，第1A圖中所示曲線圖之區域104中之電流或電流密度可回應於來自施加橫跨CES裝置之所有端子的電壓信號之電洞注入而存在。在此，當臨界電壓VMI 施加橫跨CES裝置之所有端子時，電洞注入可滿足莫特轉變準則，以進行在電流IMI 下從導電狀態至絕緣狀態的轉變。此可根據表達式(2)模型化如下：
Figure 02_image003
(2) 其中Q(VMI )是充電注入之（電洞或電子）且隨所施加電壓而變化。
用以賦能莫特轉變之電洞注入可在能帶之間並回應於臨界電壓VMI 及臨界電流IMI 而發生。根據表達式(1)，藉由使電子濃度n與一電荷濃度相等以經由被IMI 注入的電洞（表達式(2)中）而產生莫特轉變，托馬斯費米屏蔽長度λTF 上之該種臨界電壓VMI 的從屬性可根據表達式(3)模型化如下：
Figure 02_image005
(3) 其中： ACeRam 是CES元件之橫剖面面積；及 J重設 (VMI )是整個CES元件之電流密度，該電流密度將在臨界電壓VMI 下被施加於CES元件，使CES元件置於絕緣狀態。
根據一實施例，可藉由注入充足數目之電子以滿足莫特轉變準則，而使CES元件置於導電記憶體狀態（例如，藉由從絕緣記憶體狀態轉變而來）。
在將CES轉變至導電記憶體狀態中，在充足電子已被注入及橫跨CES裝置之端子的電位大於臨界切換電位（例如V設定 ）時，注入電子開始屏蔽及去定域雙重佔據的電子，以逆轉比例失衡的反應及關閉能帶隙。在賦能向導電記憶體狀態之轉變的臨界電壓VMI 下，用於使CES轉變至導電記憶體狀態的電流密度J設定 (VMI )可根據表達式(4)表示如下：
Figure 02_image007
(4) 其中： aB 是波爾半徑。
根據一實施例，用於在讀取操作中偵測CES裝置之記憶體狀態的「讀取訊窗」102可設定為在讀取電壓V讀取 下，當CES裝置處於絕緣狀態時的第1A圖之曲線圖中部分106，與當CES裝置處於導電狀態時的第1A圖之曲線圖中部分104之間的差。在一特定實施方式中，讀取訊窗102可用以決定製成CES裝置的材料之托馬斯費米屏蔽長度λTF 。例如，在電壓V重設 下，電流密度J重設 及J設定 可根據表達式(5)而相關，如下所示：
Figure 02_image009
(5)
在另一實施例中，在寫入操作中用於使CES裝置置於絕緣或導電記憶體狀態的「寫入訊窗」110可設定為V重設 （在J重設 下）與V設定 （在J設定 下）之間的差。確立|V設定 |＞|V重設 |賦能導電與絕緣狀態之間的切換。V重設 可近似處於由相關性產生之能帶分裂電位下，且V設定 可近似為能帶分裂電位之兩倍。在特定實施方式中，可至少部分地藉由CES裝置之材料與摻雜而決定寫入訊窗110之尺寸。
CES裝置中從高電阻/電容到低電阻/電容的轉變可由CES裝置之單一阻抗表示。第1B圖繪示一示例性可變阻抗器裝置（如CES裝置）之等效電路之示意圖，該可變阻抗器裝置如可變阻抗器裝置124。如本案所提及，可變阻抗器裝置124可包含可變電阻與可變電容兩者之特徵。例如，在一實施例中，用於可變阻抗器裝置之等效電路可包含可變電阻器，如與可變電容器並聯之可變電阻器126，諸如可變電容器128。當然，儘管可變電阻器126與可變電容器128在第1B圖中繪示為包含離散組件，但諸如可變阻抗器裝置124之可變阻抗器裝置可包含大體上同質的CEM，其中CEM包含可變電容與可變電阻之特徵。下文中表1繪示示例性可變阻抗器裝置的示例性真值表，該裝置如可變阻抗器裝置100。
Figure 105130423-A0304-0001
 表1
下文論述的特定實施方式係針對位元格電路，該電路包含一或更多個記憶體元件（例如非揮發性記憶體元件），例如諸如CES裝置。在此情景中，本案所提及之「位元格」或「位元格電路」包含能夠將值、符號或參數表示為狀態的電路或電路部分。例如，位元格可包含一或更多個記憶體裝置，該等裝置能夠將值、符號或參數表示為記憶體裝置之記憶體狀態。在特定實施方式中，位元格可將值、符號或參數表示為單個位元或多個位元。根據一實施例，位元格電路可包含記憶體元件，該等記憶體元件具有類似於上文結合第1A圖及第1B圖所論述之CES裝置的特性之特性。例如，位元格中之記憶體元件可藉由獨立控制於「寫入操作」中跨越記憶體元件端子而施加之電壓及電流，而置於特定的記憶體狀態（例如導電或低阻抗記憶體狀態，或絕緣或高阻抗記憶體狀態）。如下文中所論述，在特定實施方式中，該種寫入操作可藉由施加一信號而執行，該信號經控制以提供跨越記憶體裝置端子的臨界電流與電壓，以使記憶體裝置置於特定記憶體狀態。在另一態樣中，可在「讀取操作」中偵測或感測到位元格中之記憶體元件之記憶體狀態。在讀取操作之一非限制實例中，可連接帶電位元線以橫跨裝置端子施加設定電壓，且可量測回應以用於裝置之當前記憶體狀態之偵測。在此情景中，「位元線」包含一導體，該導體可在寫入操作期間連接至記憶體元件之至少一個端子以傳輸改變記憶體元件之記憶體狀態的信號，或在讀取操作期間傳輸可指示記憶體元件之當前記憶體狀態的信號。讀取操作中之輸出信號可具有可指示位元格之當前記憶體狀態的電壓或電流（例如，表示為「1」、「0」或其他符號、值、條件，等等）。在讀取操作之一個態樣中，為偵測記憶體元件之電流記憶體狀態，橫跨位元格中之記憶體元件端子施加的信號電壓可經控制以便以不可偵測的方式改變記憶體元件之當前記憶體狀態。
如上文第1A圖中指出，CES裝置之記憶體狀態可基於特定電壓及電流而改變或決定。例如，施加具有電壓V重設 與充足的電流I重設 之程式化信號可使位元格之CES裝置置於絕緣或高阻抗記憶體狀態。同樣，施加具有電壓V設定 與充足的電流I設定 之程式化信號可使位元格之CES裝置置於導電或低阻抗記憶體狀態。如第1A圖中可見，當電壓V設定 之量值大於電壓V重設 之量值時，電流I設定 之量值低於電流I重設 之量值。
特定而言，寫入操作被描述為藉由向記憶體裝置端子施加「程式化信號」，而使諸如CES元件之記憶體裝置置於複數個預定記憶體狀態中之特定記憶體狀態的特定過程。預定記憶體狀態中之特定狀態可對應於將施加於記憶體裝置之特定電壓位準（例如V設定 與V重設 ）。同樣，預定記憶體狀態中之特定狀態可對應於將施加於記憶體裝置之特定電流位準（例如I設定 與I重設 ）。因此，在一特定實施例中，用以在寫入操作中使記憶體裝置置於特定記憶體狀態的程式化信號可經控制以具有對應於特定記憶體狀態之特定的電壓位準及電流位準。
如下文特定實施方式所述，可至少部分地基於資料信號在多工器電路處選擇具有用於使記憶體裝置置於預定記憶體狀態之程式化信號的電壓位準的電壓信號。連接到多工器的導電元件可選擇性地在對應於預定記憶體狀態的電流位準下將電壓信號連接至記憶體裝置，或從記憶體裝置斷開電壓信號，該預定記憶體狀態至少部分地基於資料信號。在此情景中，「導電元件」包括能夠允許電流在兩個節點之間通過的電路元件。在一特定實施方式中，導電元件可至少部分地基於特定條件而改變允許在節點之間通過的電流。下述特定實施方式使用FET作為導電元件，以至少部分地基於施加至閘極端子的電壓而允許電流在源極端子與汲極端子之間通過。然而，應理解，諸如雙極電晶體、二極體、可變電阻器等等的其他類型之裝置可用作導電元件，且所請求標的物並非限定於此。在此情景中，具有第一及第二端子的導電元件可藉由在第一與第二端子之間提供導電通路而「連接」第一及第二端子，該第一及第二端子對於特定信號具有極微小或可忽略的阻抗。在一個特定示例性實施方式中，導電元件可至少部分地基於提供至導電元件的第三端子之信號而改變第一與第二端子之間的阻抗（例如，基於施加至第三端子的電壓或電流）。在一個態樣中，導電元件可回應於提供在第三端子上之信號而「關閉」，從而連接第一端子及第二端子。同樣，導電元件可回應於提供在第三端子上之不同信號而「開啟」，從而將第一及第二端子斷開。在一個態樣中，開啟狀態下之導電元件可藉由移除或中斷電路之第一與第二部分之間的導電通路而使電路之第一部分與電路之第二部分絕緣。在另一態樣中，導電元件可基於提供至第三端子的信號而在第一與第二端子之間在開啟與閉合狀態之間改變阻抗。
第2圖是根據特定實施例的位元格之架構示意圖。非揮發性記憶體(non-volatile memory; NVM)元件52及54串聯連接在節點66與68之間的節點74處。NVM元件52與54可置於互補狀態以表示兩個不同符號或值（例如「1」或「0」、真或假，等等）中之一個符號或值。為在第一模式下儲存第一符號或值，NVM元件52可置於導電或低阻抗記憶體狀態，而NVM元件54可置於絕緣或高阻抗記憶體狀態。同樣，為在第二模式下儲存第二符號或值，NVM元件52可置於絕緣或高阻抗記憶體狀態，而NVM元件54可置於導電或低阻抗記憶體狀態。以下特定實例係針對作為CES裝置或CeRAM裝置之NVM元件52與54之實施方式。然而，應理解，該等裝置僅為可使用之裝置之非限定性實例，且所請求標的物並非限定於此。
如上文指出，「非揮發性記憶體」包含一積體電路裝置，該裝置中，記憶體單元或元件在供應至該裝置的電力移除之後仍維持其記憶體狀態（例如，導電或低阻抗記憶體狀態，或絕緣或高阻抗記憶體狀態）。在此情景中，「字線」包含一導體，該導體用於傳輸信號以選擇在讀取操作或寫入操作中將被存取的特定位元格或位元格群組。在一特定示例性實施方式中，字線上之信號電壓可升高或降低以選擇或取消選擇在讀取或寫入操作期間將連接至對應位元線或位元線群組的特定位元格或位元格群組。然而，應理解，此僅為字線之一實例，且所請求標的物並非限定於此。而且，在此情景中，術語「參考節點」包含電路中一節點，該節點維持在特定電壓位準下或與電路中另一節點的特定電壓差下。在一個實例中，參考節點可包含或經連接至地面節點。在其他特定實施方式中，參考節點可維持在相對於地面節點電壓之一特定電壓。
由NVM元件52及54表示或儲存在NVM元件52及54中之符號或值可在讀取操作中被偵測到。在讀取操作中，導電元件可使寫入位元線WBL與節點74斷開，同時，節點66與68之間維持特定電壓（例如0.4 V）。在此，FET M2可回應於FET M2閘極處之升高電壓（例如2.0 V）而使節點74與位元線WBL斷開，該升高電壓由緩衝器裝置62回應於寫入字線信號之電壓而提供。在讀取操作開始之前，讀取位元線RBL可預充電至Vdd。可見，維持在節點66與68之間的設定電壓之間的NVM元件52與54之串聯耦接可作為分壓器使用。如若正在儲存第一值或符號（在NVM元件52處於導電或低阻抗記憶體狀態且NVM元件54處於絕緣或高阻抗記憶體狀態下），則節點74處及施加於FET M1閘極之電壓可足夠高以將預充電讀取位元線RBL連接至參考節點56（例如，地面）。感測電路可基於緩衝器58處的低電流位準來偵測所儲存之第一符號或值。同樣，如若正在儲存第二值或符號（在NVM元件52處於絕緣或高阻抗記憶體狀態及NVM元件54處於導電或低阻抗記憶體狀態下），則節點74處及施加於FET M1閘極之電壓可足夠低至將預充電讀取位元線RBL與參考節點56斷開。感測電路可隨後基於緩衝器58處的更高的電流位準來偵測所儲存之第二符號或值。
應可見，藉由在讀取操作期間在節點66處局部施加電壓（例如不來自位元線源），在節點66與74之間或在節點68與74之間的讀取電流I讀取 之量值可易於控制，以便不影響NVM元件52或54的當前記憶體狀態（且在導電或高阻抗記憶體狀態下避免重設事件）。此可容許高速操作，且有機會針對可變性、耐久度、有效模式期間之待機漏電、密度、易於與CMOS裝置整合而進行進一步最佳化，僅舉數例。
在寫入操作中，緩衝器62可生成低電壓（例如0.0 V），該電壓施加至FET M2之閘極端子以將節點74連接至寫入驅動器60（例如回應於施加至FET M2閘極端子的降低電壓（此舉回應於寫入字線信號）），同時節點68與66之間的電壓維持在特定電壓（例如V設定 + V重設 或4.0 V）。如若寫入操作將在寫入操作中儲存前述第一值或符號，則驅動器裝置60可經由FET M2向節點74供給電壓V重設 （例如當節點68維持在0.0 V參考電壓時）以在端子74與端子66之間施加第一信號，該信號具有電壓V設定 及電流I設定 ，以使NVM元件52置於導電或低阻抗記憶體狀態。同樣，在寫入操作中，向節點74之電壓V重設 之施加（例如當節點68維持在0.0 V參考電壓時）可在端子74與端子68之間施加第二程式化信號，該信號在寫入操作中具有電壓V重設 及電流I重設 ，以使NVM元件52置於絕緣或高阻抗記憶體狀態。
如若寫入操作將儲存前述第二值或符號，則驅動器裝置60可經由FET M2向節點74供給電壓V設定 （例如當節點68維持在0.0 V參考電壓時）以在端子74與端子66之間施加第三程式化信號，該信號具有電壓V重設 及電流I重設 ，以使NVM元件52置於絕緣或高阻抗記憶體狀態。同樣，向節點74之電壓V設定 之施加（例如當節點68維持在0.0 V參考電壓時）可在端子74與端子68之間施加第四程式化信號，該信號在寫入操作中具有電壓V設定 及電流I設定 ，以使NVM元件52置於導電或低阻抗記憶體狀態。
在讀取或寫入操作之後，節點66處的電壓可返回至0.0 V（例如從讀取操作中之0.4 V或寫入操作中之V設定 + V重設 返回）。此允許儲存在NVM元件52及54之內部電容中之電荷經由內電阻放電，以用於準備NVM元件52及54進行後續存取，且用於允許後續讀取或寫入操作的更快存取時間。在其他記憶體單元實施方式中，在節點66處對讀取操作施加單個電壓及對寫入操作施加單個電壓可避免支援記憶體元件存取所用的多個電壓位準之電壓存取複雜性。此外，在第一寫入操作中，來源於節點66及68處之電流可經控制以橫跨NVM元件52提供電流I設定 及橫跨NVM元件54提供電流I重設 ，以使NVM元件52及54置於第一模式，且在互補第二寫入操作中橫跨NVM元件52提供電流I重設 及橫跨NVM元件54提供電流I設定 ，以使NVM元件52及54置於第二模式。
根據一實施例，第5圖中之位元格之特定實施方式可縮放以包括多個類似位元格，該等位元格具有一對串聯耦接的NVM元件，並共用端子（例如，在節點64、66、68、70、72與76處）。例如，多達四個相鄰位元格可共用四個水平成對的端子（例如在節點66、68、70與76處之端子），且可共用垂直成對的四個端子（例如節點64、68、70與72處之端子）。
在一特定實施方式中，NVM元件52及54可包含CES或CeRAM元件，該等元件具有一或更多個上文參考第1圖所論述的性質，因為當|I重設 |＞|I設定 |時，|V重設 |＜|V設定 |。因此，在前述寫入操作的任一操作中，用以使NVM元件52或54置於導電或低阻抗記憶體狀態的程式化信號中之寫入電壓量值可大於用以使NVM元件52或54置於絕緣或高阻抗記憶體狀態的程式化信號之寫入電壓量值。此外，用以使NVM元件52或54置於導電或低阻抗記憶體狀態的程式化信號中之寫入電流量值可小於用以使NVM元件52或54置於絕緣或高阻抗記憶體狀態的程式化信號之寫入電流量值。
第二寫入電壓，及第一寫入電流之量值可小於第二寫入電流之量值。在NVM元件置於第二記憶體狀態之後，第三電壓（例如V讀取 ）可在讀取操作中橫跨NVM元件端子而施加，以偵測NVM元件之當前記憶體狀態。儘管於讀取操作期間正在施加第三電壓，但第一與第二端子之間的電流可受限而小於第一電流之量值（例如，|I讀取 |＜|I重設 |）以維持NVM元件之第二記憶體狀態（例如導電或低阻抗記憶體狀態）。
本說明書全文中對一個實施方式、一實施方式、一個實施例、一實施例及/或類似物之引用意謂著結合一特定實施方式及/或實施例描述之特定特徵、結構，及/或特性包含在所請求標的物的至少一個實施方式及/或實施例中。因而，該等片語在例如本說明書全文中多處之出現並非一定意指相同實施方式或所描述的任何一個特定實施方式。此外，將理解，所描述之特定特徵、結構，及/或特性能夠在一或更多個實施方式中以多種方式結合，且因此例如符合意欲的申請專利範圍。當然，一般情況下，該等及其他問題隨情景而變化。因此，描述及/或使用之特定情景就將要得出的推斷而言提供有益的指導。
儘管本案已圖示及描述了目前設想為示例性特徵的事物，但熟習該項技術者將理解，在不脫離所請求標的物的情況下，可進行多種其他修改，且可替代同等物。此外，在不背離本案所述之中心概念的情況下，可進行諸多修改以使特定情況適應於請求標的之教示。因此，所請求標的物不意欲限定於所揭示的特定實例，而是該所請求標的物亦可包括屬於所附申請專利範圍範疇中之所有態樣，及其同等物。
52‧‧‧非揮發性記憶體元件 54‧‧‧非揮發性記憶體元件 56‧‧‧參考節點 58‧‧‧緩衝器 60‧‧‧寫入驅動器 62‧‧‧緩衝裝置 64‧‧‧節點 66‧‧‧節點 68‧‧‧節點 70‧‧‧節點 72‧‧‧節點 74‧‧‧節點 76‧‧‧節點 100‧‧‧可變阻抗器裝置 102‧‧‧讀取訊窗 104‧‧‧部分 106‧‧‧部分 108‧‧‧點 110‧‧‧寫入訊窗 116‧‧‧點 124‧‧‧可變阻抗器裝置 126‧‧‧可變電阻器 128‧‧‧可變電容器
第1A圖圖示根據一實施例的CES裝置之電流密度對電壓的曲線圖。
第1B圖是根據一實施例的CES裝置之等效電路之示意圖。
第2圖是根據特定實施例的位元格之示意圖。
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124:可變阻抗裝置阻抗器裝置
126:可變電阻器
128:可變電容器

Claims (18)

  1. 一種用於互補式非揮發性記憶體裝置操作的裝置，該裝置包含：複數個串聯連接的非揮發性記憶體元件，其中該等非揮發性記憶體元件之一第一者連接至一參考節點，該複數個非揮發性記憶體元件可操作以：在一第一模式中儲存一第一符號或值，其中該等非揮發性記憶體元件中之至少一第一元件處於一第一阻抗狀態，且該等非揮發性記憶體元件中之至少一第二元件處於一第二阻抗狀態；在一第二模式中儲存一第二符號或值，其中該等非揮發性記憶體元件中之至少該第二元件處於該第一阻抗狀態，且該等非揮發性記憶體元件中之至少該第一元件處於該第二阻抗狀態；該裝置進一步包含：一第一導電元件，用來在一寫入操作期間將一電壓電源連接至該等非揮發性記憶體元件中之該第一元件之一第一端子及該等非揮發性記憶體元件中之該第二元件之一第一端子，該第一導電元件在該寫入操作期間至少部分地將一第一程式化信號橫跨該等非揮發性記憶體元件中之該第一元件之該第一端子及第二端子施加，且至少部分地將一第二程式化信號橫跨該等非 揮發性記憶體元件中之該第二元件之該第一端子及第二端子施加。
  2. 如請求項1所述之裝置，其中該參考節點連接至一地面節點。
  3. 如請求項1所述之裝置，且進一步包含：一第二導電元件，經配置以在該裝置處於該第二模式時將該參考節點連接至一帶電位元線，且當該裝置處於該第一模式時斷開該參考節點與該帶電位元線。
  4. 如請求項3所述之裝置，其中該第二導電元件包含一NFET，該NFET包含連接至該等非揮發性記憶體元件中之該第一元件之該第二端子及該等非揮發性記憶體元件中之該第二元件之該第一端子的一閘極端子。
  5. 如請求項1所述之裝置，其中該第一程式化信號包含一第一電壓及一第一電流，且其中該第二程式化信號包含一第二電壓及一第二電流，且其中：該第一電壓之一量值超過該第二電壓之一量值，且該第二電流之一量值超過該第一電流之一量值，以使該裝置置於該第一模式；及該第二電壓之該量值超過該第一電壓之該量值，且該第一電流之該量值超過該第二電流之該量值，以使該裝置置於該第二模式。
  6. 如請求項1所述之裝置，其中該第一導電元件包含一PFET，以在該寫入操作期間回應於施加至該PFET之一閘極端子的一字線電壓，而將該電壓電源連接至該等非揮發性記憶體元件中之該第一元件之該第二端子及該等非揮發性記憶體元件中之該第二元件之該第一端子。
  7. 如請求項1所述之裝置，其中該等非揮發性記憶體元件中之該第一元件包含一第一相關性電子開關(CES)元件，且該等非揮發性記憶體元件中之該第二元件包含一第二CES元件。
  8. 如請求項1所述之裝置，其中該等非揮發性記憶體元件中之該第一元件包含一第一CeRAM元件，且該等非揮發性記憶體元件中之該第二元件包含一第二CeRAM元件。
  9. 一種用於互補式非揮發性記憶體裝置操作的方法，該方法包含以下步驟：在一寫入操作期間將一電壓電源連接至一第一非揮發性記憶體元件之一第一端子及一第二非揮發性記憶體元件之一第一端子以儲存一第一符號及/或值，將該電壓電源連接至該第一非揮發性記憶體元件之該第一端子及該第二非揮發性記憶體元件之該第一端子，以至少部分地將一第一程式化信號橫跨該第一非揮發性 記憶體元件之該第一端子及該第一非揮發性記憶體元件之一第二端子施加，以使將該第一非揮發性記憶體元件置於一第一阻抗狀態，且至少部分地將一第二程式化信號橫跨該第二非揮發性記憶體元件之該第一端子及該第二非揮發性記憶體元件之一第二端子施加，以使該第二非揮發性記憶體元件置於一第二阻抗狀態，該第一非揮發性記憶體元件及該第二非揮發性記憶體元件串聯連接並可操作以在一第一模式中儲存該第一符號或值，該第一模式使得該第一非揮發性記憶體元件處於該第一阻抗狀態且使得該第二非揮發性記憶體元件處於該第二阻抗狀態，且該第一非揮發性記憶體元件及該第二非揮發性記憶體元件可操作以在一第二模式中儲存一第二符號或值，該第二模式使得該第一非揮發性記憶體元件處於該第二阻抗狀態且使得該第二非揮發性記憶體元件處於該第一阻抗狀態。
  10. 如請求項9所述之方法，其中該第一程式化信號之一第一寫入電流之一量值大於該第二程式化信號之一第一寫入電流之一量值，且其中該第一程式化信號之一第一寫入電壓之一量值小於該第二程式化信號之一第二寫入電壓之一量值。
  11. 如請求項9所述之方法，且進一步包含以 下步驟：在該第一寫入操作中，將一第一位元線連接至該第一非揮發性記憶體元件之該第一端子且連接至該第二非揮發性記憶體元件之該第一端子。
  12. 如請求項11所述之方法，且進一步包含以下步驟：在一第二寫入操作中，將該第一位元線連接至該第一非揮發性記憶體元件之該第一端子並連接至該第二非揮發性記憶體元件之該第一端子，以儲存該第二符號或值；該第二寫入操作將一第三程式化信號橫跨該第一非揮發性記憶體元件之該第一端子及橫跨該第一非揮發性記憶體元件之該第二端子施加，以使該第一非揮發性記憶體元件置於該第二阻抗狀態，該第二寫入操作將一第四程式化信號橫跨該第二非揮發性記憶體元件之該第一端子及橫跨該第二非揮發性記憶體元件之該第二端子施加，以使得該第二非揮發性記憶體元件置於該第一阻抗狀態。
  13. 如請求項12所述之方法，其中該第三程式化信號之一第三寫入電流之一量值大於該第四程式化信號之一第三寫入電流之一量值，且其中該第三程式化信號之一第三寫入電壓之一量值小於該第四程式化信號之一第四寫入電壓之一量值。
  14. 如請求項9所述之方法，其中該第一非揮發性記憶體元件包含一第一CeRAM元件且該第二非揮發性記憶體元件包含一第二CeRAM元件。
  15. 如請求項11所述之方法，且進一步包含以下步驟：在一讀取操作中回應於該第一非揮發性記憶體元件之該第一端子處及該第二非揮發性記憶體元件之該第一端子處之一電壓而使一第二位元線與一參考節點斷開。
  16. 如請求項11所述之方法，且進一步包含以下步驟：在一讀取操作中回應於該第一非揮發性記憶體元件之該第一端子處及該第二非揮發性記憶體元件之該第一端子處之一電壓而使一第二位元線連接至一參考節點。
  17. 如請求項16所述之方法，且進一步包含以下步驟：在該讀取操作期間維持該第一非揮發性記憶體元件之該第二端子與該第二非揮發性記憶體元件之該第二端子之間的一設定電壓。
  18. 如請求項9所述之方法，其中該第一非揮發性記憶體元件包含一第一CES元件且該第二非揮發性記憶體元件包含一第二CES元件。
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