用于交叉點(diǎn)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的電壓控制的制作方法
【專利說(shuō)明】
【背景技術(shù)】
[0001]交叉點(diǎn)(crosspoint)存儲(chǔ)器陣列是設(shè)置在兩組導(dǎo)體之間的存儲(chǔ)器單元的陣列，這兩組導(dǎo)體在存儲(chǔ)器單元的相對(duì)側(cè)上正交地延伸。設(shè)置在存儲(chǔ)器單元的一側(cè)上的第一組導(dǎo)體可稱為字線，而設(shè)置在存儲(chǔ)器單元的另一側(cè)上的第二組導(dǎo)體可稱為位線。多層交叉點(diǎn)存儲(chǔ)器陣列可包括在字線層與位線層之間交替的若干存儲(chǔ)器單元層。交叉點(diǎn)存儲(chǔ)器陣列中的每個(gè)存儲(chǔ)器單元設(shè)置于單條字線和單條位線的交叉點(diǎn)處?？赏ㄟ^(guò)激活與存儲(chǔ)器單元相關(guān)聯(lián)的字線和位線來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)陣列內(nèi)的單個(gè)存儲(chǔ)器單元的選擇，以用于讀取或?qū)懭氪鎯?chǔ)器單元。對(duì)存儲(chǔ)器單元寫入數(shù)據(jù)可包含將電壓脈沖施加到選擇的存儲(chǔ)器單元以改變存儲(chǔ)器單元的電阻狀態(tài)。可通過(guò)將讀取電壓施加到選擇的存儲(chǔ)器單元并且測(cè)量經(jīng)由選擇的存儲(chǔ)器單元的產(chǎn)生的電流來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)選擇的存儲(chǔ)器單元的讀取。
【附圖說(shuō)明】
[0002]在以下詳細(xì)說(shuō)明中將參照附圖描述某些實(shí)施例，附圖中；
[0003]圖1是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置的一示例的框圖；
[0004]圖2是在置位(set)操作期間的存儲(chǔ)器單元的電路圖；
[0005]圖3是在復(fù)位(reset)操作期間的存儲(chǔ)器單元的電路圖；
[0006]圖4是可用于存儲(chǔ)器單元的示例性二極管的電流-電壓示意圖；
[0007]圖5是交叉點(diǎn)陣列的一部分的透視圖，其示出了包括存儲(chǔ)器元件和并聯(lián)二極管的存儲(chǔ)器單元。
【具體實(shí)施方式】
[0008]在交叉點(diǎn)存儲(chǔ)器陣列中，可通過(guò)對(duì)將改變存儲(chǔ)器單元的電阻狀態(tài)的電壓或電流脈沖施加到存儲(chǔ)器單元來(lái)將數(shù)據(jù)寫入到存儲(chǔ)器單元。例如，置位脈沖可用來(lái)獲得代表邏輯1的低電阻狀態(tài)，并且復(fù)位脈沖可用來(lái)獲得代表邏輯0的高電阻狀態(tài)。交叉點(diǎn)陣列可使用雙極或單極開(kāi)關(guān)。在雙極開(kāi)關(guān)中，置位電壓和復(fù)位電壓具有相反的極性。在單極開(kāi)關(guān)中，置位電壓和復(fù)位電壓具有相同的極性。例如，對(duì)于一些電阻式存儲(chǔ)器元件，存儲(chǔ)器單元將在每個(gè)電壓脈沖下的狀態(tài)之間切換。
[0009]在置位或復(fù)位操作期間在交叉點(diǎn)存儲(chǔ)器陣列的單個(gè)單元處觀察到的電壓取決于陣列中的單元的位置和存儲(chǔ)在該陣列的其他單元中的數(shù)據(jù)而大幅地變化。這種變化部分地歸因于可能存在于相鄰單元中或者與選擇的單元共用同一互連件的單元中的漏電流。在多層交叉點(diǎn)陣列中，將寫入電路連接至存儲(chǔ)器單元的互連結(jié)構(gòu)的較大電阻和電容進(jìn)一步促成了置位和復(fù)位電壓變化。由此，脈沖電壓變化趨于隨著存儲(chǔ)器陣列密度的增加而增加。
[0010]每次存儲(chǔ)器單元接收到置位或復(fù)位脈沖，存儲(chǔ)器單元將趨于退化(degrade)。存儲(chǔ)器單元的耐久性指的是在存儲(chǔ)器單元失效之前存儲(chǔ)器單元可被置位和復(fù)位的循環(huán)次數(shù)。在諸如阻變隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RRAM)的某些類型的存儲(chǔ)器單元中，存儲(chǔ)器單元的耐久性受到其置位和復(fù)位脈沖電壓受控程度的影響。受控不佳的置位和復(fù)位電壓可引起各種問(wèn)題，包括單元耐久性的降低。例如，過(guò)高的置位和復(fù)位電壓趨于降低單元耐久性，而經(jīng)仔細(xì)選擇并且可再生的置位和復(fù)位電壓趨于提高單元耐久性。在各個(gè)單元處觀察到的置位和復(fù)位脈沖電壓的變化明顯地降低了其耐久性并且減少了產(chǎn)品壽命。
[0011]為了減小脈沖電壓的變化并且增加耐久性，某些交叉點(diǎn)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)構(gòu)造為使得每個(gè)存儲(chǔ)器單元包括能夠訪問(wèn)該單元的存儲(chǔ)器元件的專用晶體管。專用晶體管提供存儲(chǔ)器單元之間的隔離，并且因此使得能夠更好地控制脈沖電壓。然而，這種結(jié)構(gòu)更復(fù)雜并且制造起來(lái)昂貴，而且專用晶體管降低了交叉點(diǎn)陣列的存儲(chǔ)器密度。
[0012]根據(jù)本技術(shù)方案的實(shí)施例，交叉點(diǎn)陣列中的每個(gè)存儲(chǔ)器單元包括與存儲(chǔ)器元件并聯(lián)設(shè)置在字線和位線之間的二極管。二極管用于調(diào)節(jié)在置位操作和復(fù)位操作期間在存儲(chǔ)器元件處觀察到的電壓。在一些實(shí)施例中，交叉點(diǎn)陣列被配置為使用雙極開(kāi)關(guān)。如果使用了雙極開(kāi)關(guān)，貝U正向?qū)?forward conduct1n)閾值電壓可設(shè)計(jì)為與復(fù)位電壓匹配，并且反向?qū)?reverse conduct1n)模式閾值電壓可設(shè)計(jì)為與置位電壓匹配(或反之亦然，如果可以更適于期望的置位/復(fù)位電壓)。由此，當(dāng)暴露于超出設(shè)計(jì)的置位或復(fù)位電壓的電壓時(shí)，與存儲(chǔ)器元件并聯(lián)設(shè)置的二極管使電流遠(yuǎn)離位單元而分流。并聯(lián)二極管的使用改進(jìn)了對(duì)由每個(gè)存儲(chǔ)器元件觀察到的置位和復(fù)位電壓的控制，從而產(chǎn)生了更好的耐久性和更長(zhǎng)的產(chǎn)品壽命。通過(guò)允許與缺少對(duì)置位和復(fù)位電壓的良好控制的可能構(gòu)造相比更大陣列的構(gòu)造，并聯(lián)二極管還改進(jìn)了可實(shí)現(xiàn)的存儲(chǔ)器密度。
[0013]圖1是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置的框圖。如圖1所示，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置100可包括按行和列布置的存儲(chǔ)器單元102的陣列。在此稱為字線104的一組導(dǎo)電電極在存儲(chǔ)器單元102的陣列的一側(cè)上延伸。每個(gè)字線104與特定行的存儲(chǔ)器單元102電接觸。在此稱為位線106的一組導(dǎo)電電極在存儲(chǔ)器單元102的陣列的另一側(cè)上延伸。每個(gè)位線106與特定列的存儲(chǔ)器單元102電接觸。在一些實(shí)例中，存儲(chǔ)器單元102的陣列可為多層陣列。在多層陣列中，存儲(chǔ)器單元102的若干陣列可與設(shè)置在存儲(chǔ)器單元的每一層之間的一組位線或一組字線堆疊在彼此的頂部。多層存儲(chǔ)器單元陣列可包括任意適當(dāng)數(shù)量的存儲(chǔ)器單元層。在單層以及多層陣列中，每個(gè)存儲(chǔ)器單元102位于一條字線104與一條位線106的交叉點(diǎn)處。每個(gè)存儲(chǔ)器單元102可被選擇以用于通過(guò)激活與存儲(chǔ)器單元102相關(guān)聯(lián)的特定字線104和位線106而進(jìn)行寫入或讀取。如稍后將參照?qǐng)D2進(jìn)一步討論的，每個(gè)存儲(chǔ)器單元102可包括與二極管并聯(lián)連接的電阻式存儲(chǔ)器元件。
[0014]數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置100還包括經(jīng)由相應(yīng)的字線104連接至存儲(chǔ)器單元102的字線控制電路108以及經(jīng)由相應(yīng)的位線106連接至存儲(chǔ)器單元102的位線控制電路110。字線控制電路108和位線控制電路110 —起作用，從而通過(guò)激活連接至選擇的存儲(chǔ)器單元102的對(duì)應(yīng)字線104和位線106而訪問(wèn)各個(gè)存儲(chǔ)器單元102。應(yīng)意識(shí)到的是，在此描述的字線控制電路108和位線控制電路110是可用于訪問(wèn)存儲(chǔ)器單元102的示例性實(shí)施例的電路的示例實(shí)例。本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其他配置也可用于訪問(wèn)根據(jù)本技術(shù)方案的存儲(chǔ)器單元102。
[0015]在寫入操作期間，字線控制電路108通過(guò)將電壓脈沖施加到與選擇的存儲(chǔ)器單元102對(duì)應(yīng)的指定字線104而將信息寫入到選擇的存儲(chǔ)器單元102。位線控制電路110可通過(guò)將存儲(chǔ)器單元102接地而激活選擇的存儲(chǔ)器單元102。施加到選擇的存儲(chǔ)器單元102的電壓影響存儲(chǔ)器單元102的電阻，從而將邏輯1或邏輯0存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器單元102。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置100可配置為使用雙極開(kāi)關(guān)或單極開(kāi)關(guān)。在隨后的讀取操作期間可檢測(cè)到電阻的變化。
[0016]如上所述，對(duì)選擇的存儲(chǔ)器單元102的寫入可受到在選擇的存儲(chǔ)器單元102周圍的存儲(chǔ)器單元102中產(chǎn)生的漏電流的影響，并且受到將控制電路連接至存儲(chǔ)器單元102的互連件的電阻和電容性質(zhì)的影響。為了使對(duì)電壓的控制能夠更穩(wěn)定，每個(gè)存儲(chǔ)器單元102包括配置為調(diào)節(jié)存儲(chǔ)器單元所經(jīng)受的電壓的二極管。由此，與交叉點(diǎn)陣列中的存儲(chǔ)器單元102的位置或周圍的存儲(chǔ)器單元102的電阻值無(wú)關(guān)，選擇的存儲(chǔ)器單元102上的電壓將更穩(wěn)定并且是可預(yù)計(jì)的。
[0017]圖2是置位操作期間的雙極存儲(chǔ)器單元的電路圖。如圖2的電路圖所示，每個(gè)存儲(chǔ)器單元102可包括存儲(chǔ)器元件202和與存儲(chǔ)器元件202并聯(lián)的二極管204。存儲(chǔ)器元件202和二極管204并聯(lián)地設(shè)置在圖1所示的字線104與位線106之間。將存儲(chǔ)器單元102連接至控制電路的導(dǎo)電路徑的電阻在電路圖200中由互連電阻器206和208表示。例如，互連電阻器206可表示字線104和將存儲(chǔ)器單元102連接至字線控制電路108的所有其他導(dǎo)體的總電阻?；ミB電阻器208可表示位線106和將存儲(chǔ)器單元102連接至位線控制電路110的所有其他導(dǎo)體的總電阻。
[0018]存儲(chǔ)器元件202可為電阻式存儲(chǔ)器元件，諸如RRAM、自旋轉(zhuǎn)移力矩隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(STT-RAM)、導(dǎo)電橋電阻器、基于過(guò)渡金屬氧化物的電阻器或任意類型的阻變存儲(chǔ)器。如在此所使用，術(shù)語(yǔ)“電阻式存儲(chǔ)器元件”指的是這樣一種存儲(chǔ)器元件:存儲(chǔ)器元件的邏輯狀態(tài)(例如，其存儲(chǔ)0還是1)是由存儲(chǔ)器元件的電阻指示的。在電阻式存儲(chǔ)器元件中，可通過(guò)例如使電流流經(jīng)電阻式存儲(chǔ)器元件或使電阻式存儲(chǔ)器元件經(jīng)受磁場(chǎng)來(lái)改變由存儲(chǔ)器元件展現(xiàn)的電阻。
[0019]二極管204可以是能夠使電流在正向?qū)Ｊ胶头聪驅(qū)Ｊ较铝鲃?dòng)的任意二極管。此類二極管的示例包括穩(wěn)壓二極管和雪崩二極管?？芍付ǘO管204的參數(shù)，以使得在指定的閾值電壓下發(fā)生正向?qū)Ｊ胶头聪驅(qū)Ｊ健６?，如圖2所示的二極管204的極化可基于具體實(shí)施的設(shè)計(jì)考量而被反置。二極管204可通過(guò)使用能夠經(jīng)受諸如摻雜的標(biāo)準(zhǔn)制造工藝的、任意適當(dāng)?shù)木B(tài)、多晶態(tài)或非晶態(tài)半導(dǎo)體而實(shí)施。適當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體材料可包括硅、砷化鎵、鍺以及其他。例如，二極管可通過(guò)硅薄膜沉積而實(shí)施。
[0020]存儲(chǔ)器單元102可在不同時(shí)期被選來(lái)用于諸如置位操作或復(fù)位操作的寫入操作。圖2描繪了已被選來(lái)用于置位操作的存儲(chǔ)器單元102。在置位操作中，由經(jīng)由通過(guò)交叉點(diǎn)陣列而連接至存儲(chǔ)器單元102的控制電路生成置位脈沖電壓210。置位脈沖電壓210使存儲(chǔ)器元件202經(jīng)受電壓Vset，其使得存儲(chǔ)器元件202進(jìn)入低電阻狀態(tài)。電壓Vset是施加至存儲(chǔ)器元件202的端部的實(shí)際電壓，并且將近似等于置位脈沖電壓210減去互連電阻206、208上的電壓降?？紤]到互連電阻206、208的變化，置位脈沖電壓210可等于設(shè)計(jì)置位電壓加上安全余量，安全余量確保Vset將不小于設(shè)計(jì)置位電壓。設(shè)計(jì)置位電壓是在置位操作期間打算施加至存儲(chǔ)器元件202以實(shí)現(xiàn)特定電阻水平的期望電壓。設(shè)計(jì)置位電壓可基于存儲(chǔ)器元件202的各種不同設(shè)計(jì)考量和特征而選擇。例如，設(shè)計(jì)置位電壓可近似為0.5V、0.6V或
0.7V、或者可為任意其他適當(dāng)值。
[0021]圖2示出了二極管204的極化，其取向使得選擇的存儲(chǔ)器單元102的二極管202將在置位操作期間被反向偏置。考慮到這種二極管極性，二極管204可制為使得二極管204的反向?qū)Ｊ介撝惦妷簩⒔频扔谠O(shè)計(jì)置位電壓。如果電SVsJ§過(guò)設(shè)計(jì)置位電壓，則二極管204將開(kāi)始在反向?qū)Ｊ较聦?dǎo)通。經(jīng)由二極管204的附加電流增加了經(jīng)由連接件電阻206和208的總電流?；ミB電阻206和208上的電壓降將與經(jīng)