電阻式存儲(chǔ)裝置及其操作方法
【專利說(shuō)明】電阻式存儲(chǔ)裝置及其操作方法
[0001]本申請(qǐng)要求于2014年11月26日在韓國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)局提交的第10-2014-0166627號(hào)韓國(guó)專利申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)，該韓國(guó)專利申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用包含于此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]發(fā)明構(gòu)思的實(shí)施例涉及一種存儲(chǔ)裝置，尤其涉及一種電阻式存儲(chǔ)裝置以及一種操作電阻式存儲(chǔ)裝置的方法。
【背景技術(shù)】
[0003]隨著對(duì)高容量和低功耗存儲(chǔ)裝置的需求的增長(zhǎng)，正在進(jìn)行對(duì)諸如不需要刷新操作的非易失性存儲(chǔ)裝置的下一代存儲(chǔ)裝置的研究。這些下一代存儲(chǔ)裝置需要具有像動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)那樣的高集成特性，具有像閃存那樣的非易失性特性，并且具有像靜態(tài)RAM(SRAM)那樣的高速度。相變RAM(PRAM)、納米浮柵存儲(chǔ)器(NFGM)、聚合物RAM(PoRAM)、磁性RAM(MRAM)、鐵電RAM(FeRAM)和電阻式RAM(RRAM)已經(jīng)作為一些下一代存儲(chǔ)裝置而備受矚目。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]發(fā)明構(gòu)思的實(shí)施例提供一種能夠提高耐久性并且降低功耗的電阻式存儲(chǔ)裝置以及一種操作電阻式存儲(chǔ)裝置的方法。
[0005]根據(jù)發(fā)明構(gòu)思的一個(gè)方面，提供一種包括存儲(chǔ)單元陣列和解碼器的存儲(chǔ)裝置。存儲(chǔ)單元陣列包括分別布置在多條第一信號(hào)線與多條第二信號(hào)線交叉的區(qū)域中的多個(gè)存儲(chǔ)單元。解碼器包括分別與所述多條第一信號(hào)線連接的多個(gè)行選擇開(kāi)關(guān)單元。每個(gè)行選擇開(kāi)關(guān)單元選擇性地響應(yīng)于第一開(kāi)關(guān)信號(hào)和第二開(kāi)關(guān)信號(hào)將偏置電壓施加到與每個(gè)行選擇開(kāi)關(guān)單元對(duì)應(yīng)的第一信號(hào)線，第一開(kāi)關(guān)信號(hào)和第二開(kāi)關(guān)信號(hào)的電壓電平在激活狀態(tài)下彼此不同。
[0006]根據(jù)發(fā)明構(gòu)思的另一個(gè)方面，提供一種包括存儲(chǔ)單元陣列和開(kāi)關(guān)塊的存儲(chǔ)裝置。存儲(chǔ)單元陣列包括第一區(qū)域和第二區(qū)域，第一區(qū)域包括至少一個(gè)選擇的存儲(chǔ)單元，第二區(qū)域包括未選擇的存儲(chǔ)單元。開(kāi)關(guān)塊響應(yīng)于第一電壓的第一開(kāi)關(guān)信號(hào)將選擇電壓或抑制電壓施加到第一區(qū)域中的第一信號(hào)線，并且響應(yīng)于第二電壓的第二開(kāi)關(guān)信號(hào)將抑制電壓施加到第二區(qū)域中的第一信號(hào)線。
[0007]根據(jù)發(fā)明構(gòu)思的一個(gè)方面，提供一種操作存儲(chǔ)裝置的方法，所述存儲(chǔ)裝置包括分別布置在多條第一信號(hào)線與多條第二信號(hào)線彼此交叉的區(qū)域中的多個(gè)存儲(chǔ)單元，并且所述多條第一信號(hào)線中的每條連接到用于提供偏置電壓的至少兩個(gè)第一導(dǎo)電型晶體管開(kāi)關(guān)。所述方法包括:將第一電壓施加到與至少一條第一信號(hào)線連接的所述至少兩個(gè)第一導(dǎo)電型晶體管開(kāi)關(guān)中的一個(gè)，使得選擇電壓被施加到所述多條第一信號(hào)線之中的所述至少一條第一信號(hào)線；以及將具有與第一電壓的電壓電平不同的電壓電平的第二電壓施加到所述至少兩個(gè)第一導(dǎo)電型晶體管開(kāi)關(guān)中的另一個(gè)，使得抑制電壓被提供給所述至少一條第一信號(hào)線。
[0008]根據(jù)發(fā)明構(gòu)思的一個(gè)方面，提供一種操作存儲(chǔ)裝置的方法，所述存儲(chǔ)裝置包括布置在存儲(chǔ)單元陣列的區(qū)域中使得多條第一信號(hào)線與多條第二信號(hào)線交叉的多個(gè)存儲(chǔ)單元，所述多條第一信號(hào)線連接到相應(yīng)的開(kāi)關(guān)單元，每個(gè)開(kāi)關(guān)單元包括為了執(zhí)行寫(xiě)入或讀取操作而將偏置電壓提供給所述多個(gè)存儲(chǔ)單元的多個(gè)晶體管開(kāi)關(guān)。所述方法包括:確定存儲(chǔ)裝置的操作模式；基于確定的操作模式生成第一電壓和第二電壓，第一電壓和第二電壓分別為激活狀態(tài)下兩個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)的電壓；將第一電壓施加到與第一區(qū)域中的所述多條第一信號(hào)線的被選擇的第一信號(hào)線連接的第一開(kāi)關(guān)單元，以將選擇電壓提供給被選擇的第一信號(hào)線，并將第一電壓施加到與第一區(qū)域中的未選擇的第一信號(hào)線連接的另一個(gè)開(kāi)關(guān)單元，以將抑制電壓提供給未選擇的第一信號(hào)線；將第二電壓施加到與除了第一區(qū)域之外的區(qū)域中的未選擇的第一信號(hào)線連接的除了第一開(kāi)關(guān)單元之外的開(kāi)關(guān)單元，以將抑制電壓提供給未選擇的第一信號(hào)線；以及根據(jù)操作模式對(duì)與被選擇的第一信號(hào)線連接的存儲(chǔ)單元執(zhí)行寫(xiě)入操作或讀取操作。
【附圖說(shuō)明】
[0009]根據(jù)以下結(jié)合附圖進(jìn)行的描述，發(fā)明構(gòu)思的示例性實(shí)施例將被更清楚地理解，在附圖中:
[0010]圖1是根據(jù)發(fā)明構(gòu)思的示例性實(shí)施例的包括電阻式存儲(chǔ)裝置的存儲(chǔ)系統(tǒng)的框圖；
[0011]圖2是圖1的存儲(chǔ)裝置的示例的框圖；
[0012]圖3是圖2的存儲(chǔ)單元陣列的詳細(xì)電路圖；
[0013]圖4是圖3的存儲(chǔ)單元中包括的可變電阻器裝置的示例的圖；
[0014]圖5A至圖5C是示出圖3的存儲(chǔ)單元的變型示例的電路圖；
[0015]圖6A和圖6B是存儲(chǔ)單元的電阻分布的曲線圖；
[0016]圖7是存儲(chǔ)單元的伏安特性曲線的曲線圖；
[0017]圖8A是根據(jù)發(fā)明構(gòu)思的示例性實(shí)施例的行解碼器的電路圖；
[0018]圖SB是示出圖8A的行解碼器的開(kāi)關(guān)信號(hào)的波形的曲線圖；
[0019]圖9A和圖9B是示出當(dāng)對(duì)存儲(chǔ)裝置執(zhí)行設(shè)定寫(xiě)入操作時(shí)的行解碼器的操作的圖；
[0020]圖10是示出當(dāng)對(duì)存儲(chǔ)裝置執(zhí)行重置寫(xiě)入操作時(shí)的行解碼器的操作的圖；
[0021]圖11是示出當(dāng)對(duì)存儲(chǔ)裝置執(zhí)行讀取操作時(shí)的行解碼器的操作的圖；
[0022]圖12和圖13是示出根據(jù)示例性實(shí)施例的行選擇開(kāi)關(guān)單元的變型示例的圖；
[0023]圖14是根據(jù)示例性實(shí)施例的行解碼塊的電路圖；
[0024]圖15是根據(jù)示例性實(shí)施例的電壓選擇器的電路圖；
[0025]圖16是根據(jù)示例性實(shí)施例的電壓生成器的框圖；
[0026]圖17A是圖16的電荷栗的電路圖；
[0027]圖17B是對(duì)圖17A的電荷栗施加的栗浦信號(hào)的波形圖；
[0028]圖18是圖16的電壓選擇器的電路圖；
[0029]圖19是示出根據(jù)示例性實(shí)施例的電壓生成器的變型示例的框圖；
[0030]圖20是圖19的電壓調(diào)整器的電路圖；
[0031]圖21是示出根據(jù)示例性實(shí)施例的行解碼器和列解碼器的區(qū)塊和布置的配置的圖；
[0032]圖22是根據(jù)示例性實(shí)施例的操作存儲(chǔ)裝置的方法的流程圖；
[0033]圖23是根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施例的操作存儲(chǔ)裝置的方法的流程圖；
[0034]圖24是根據(jù)發(fā)明構(gòu)思的示例性實(shí)施例的包括電阻式存儲(chǔ)裝置的存儲(chǔ)系統(tǒng)的示意性框圖；
[0035]圖25是應(yīng)用了根據(jù)發(fā)明構(gòu)思的示例性實(shí)施例的存儲(chǔ)系統(tǒng)的存儲(chǔ)卡系統(tǒng)的框圖；
[0036]圖26是根據(jù)發(fā)明構(gòu)思的示例性實(shí)施例的電阻式存儲(chǔ)模塊的圖；
[0037]圖27是應(yīng)用了根據(jù)發(fā)明構(gòu)思的示例性實(shí)施例的存儲(chǔ)系統(tǒng)的固態(tài)硬盤(pán)(SSD)系統(tǒng)的框圖；
[0038]圖28是根據(jù)發(fā)明構(gòu)思的示例性實(shí)施例的包括存儲(chǔ)系統(tǒng)的計(jì)算系統(tǒng)的框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0039]將參照以下描述和附圖更充分地描述實(shí)施例。然而，發(fā)明構(gòu)思可以以各種不同的形式實(shí)現(xiàn)，并且不應(yīng)被解釋為對(duì)所示實(shí)施例的限制。而是，提供這些實(shí)施例作為示例，使得本公開(kāi)將是徹底的和完整的，并將發(fā)明構(gòu)思的主旨充分傳達(dá)給本領(lǐng)域普通技術(shù)人員。因此，發(fā)明構(gòu)思的實(shí)施例可以包括與本發(fā)明構(gòu)思相關(guān)的構(gòu)思和技術(shù)范圍之內(nèi)包括的所有修改、等同物或替代物。針對(duì)一些實(shí)施例，可以不描述已知的處理、元件和技術(shù)。除非另外說(shuō)明，否則貫穿附圖和書(shū)面說(shuō)明的始終，相同的附圖標(biāo)記表示相同的元件，因此可以不重復(fù)描述。在附圖中，為了清晰起見(jiàn)，可夸大結(jié)構(gòu)的尺寸。
[0040]此外，這里闡述的所有示例和條件性語(yǔ)言將被解釋為不限于如此特定敘述的示例和條件。貫穿說(shuō)明書(shū)的始終，除非有與其相反的具體說(shuō)明，否則單數(shù)形式可以包括復(fù)數(shù)形式。此外，使用諸如“包含”或“包括”的術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)明存在陳述的形式、數(shù)量、處理、操作、組件和/或它們的組，但是不排除存在一個(gè)或多個(gè)其他陳述的形式、一個(gè)或多個(gè)其他的數(shù)量、一個(gè)或多個(gè)其他的處理、一個(gè)或多個(gè)其他的操作、一個(gè)或多個(gè)其他的組件和/或它們的組。
[0041]盡管使用術(shù)語(yǔ)“第一”和“第二”來(lái)描述各種組件，但顯然這些組件不應(yīng)該受術(shù)語(yǔ)“第一”和“第二”的限制。術(shù)語(yǔ)“第一”和“第二”僅用于在各元件之間進(jìn)行區(qū)分。例如，在與發(fā)明構(gòu)思不沖突的情況下，第一組件可以表示第二組件，或者第二組件可以表示第一組件。
[0042]除非另有定義，否則這里使用的所有術(shù)語(yǔ)(包括描述性術(shù)語(yǔ)和技術(shù)術(shù)語(yǔ))應(yīng)當(dāng)被解釋為具有對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)明顯的意思。此外，在常用詞典中定義的并且在以下說(shuō)明書(shū)中使用的術(shù)語(yǔ)應(yīng)被解釋為具有與其在相關(guān)描述中使用的含義相同的含義，并且除非這里明確地另行描述，否則這些術(shù)語(yǔ)不應(yīng)被理解為理想化的或過(guò)于形式化的。
[0043]如這里使用的，術(shù)語(yǔ)“和/或”包括相關(guān)列出項(xiàng)目的一個(gè)或更多個(gè)的任意和全部組合。當(dāng)諸如“……中的至少一個(gè)”的表達(dá)位于一列元件之后時(shí)，所述表達(dá)修飾整列元件而不修飾所述列中的單個(gè)元件。術(shù)語(yǔ)“示例性”意圖指示例或說(shuō)明。
[0044]圖1是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的示例性實(shí)施例的包括電阻式存儲(chǔ)裝置100的存儲(chǔ)系統(tǒng)I的框圖。
[0045]參照?qǐng)D1，存儲(chǔ)系統(tǒng)I包括電阻式存儲(chǔ)裝置100(在下文中，稱為存儲(chǔ)裝置100)和存儲(chǔ)控制器200。存儲(chǔ)裝置100包括存儲(chǔ)單元陣列110、寫(xiě)入/讀取電路120、控制邏輯130和電壓生成器140。另外，存儲(chǔ)裝置100還可以包括用于在控制邏輯130的控制下對(duì)存儲(chǔ)單元陣列110執(zhí)行寫(xiě)入操作和讀取操作的電路。由于存儲(chǔ)單元陣列110包括電阻式存儲(chǔ)單元，所以存儲(chǔ)系統(tǒng)I可以稱為電阻式存儲(chǔ)系統(tǒng)。
[0046]響應(yīng)于來(lái)自主機(jī)的寫(xiě)入/讀取請(qǐng)求，存儲(chǔ)控制器200可以讀取存儲(chǔ)裝置100中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，或者可以控制存儲(chǔ)裝置100以將數(shù)據(jù)寫(xiě)入到存儲(chǔ)裝置100。更詳細(xì)地，存儲(chǔ)控制器200可以向存儲(chǔ)裝置100提供地址ADDR、命令CMD以及控制信號(hào)CTRL，因此可以控制對(duì)于存儲(chǔ)裝置100的編程(或?qū)懭?操作、讀取操作和/或擦除操作。另外，可以在存儲(chǔ)控制器200和存儲(chǔ)裝置100之間交換要寫(xiě)入的數(shù)據(jù)DATA和要讀取的數(shù)據(jù)DATA。
[0047]雖然未示出，但存儲(chǔ)控制器200可以包括隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)、處理單元、主機(jī)接口和存儲(chǔ)器接口。RAM可用作處理單元的工作存儲(chǔ)器。處理單元可以控制存儲(chǔ)控制器200的操作。主機(jī)接口可以包括在主機(jī)和存儲(chǔ)控制器200之間交換數(shù)據(jù)的協(xié)議。例如，存儲(chǔ)控制器200可以通過(guò)使用包括通用串行總線(USB)、多媒體卡(MMC)、高速外圍組件互連(PC1-E)、高級(jí)技術(shù)附件(ATA)、串行ATA、并行ATA、小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口(SCSI)、地球科學(xué)數(shù)據(jù)接口(ESDI)和集成驅(qū)動(dòng)電子裝置(IDE)的各種接口協(xié)議中的至少一種接口協(xié)議來(lái)與外部源(即，主機(jī))通信。
[0048]存儲(chǔ)單元陣列110包括多個(gè)存儲(chǔ)單元(未示出)，其中，所述多個(gè)存儲(chǔ)單元分別設(shè)置在多條第一信號(hào)線和多條第二信號(hào)線彼此交叉的區(qū)域中。在本示例性實(shí)施例中，第一信號(hào)線可以是位線，第二信號(hào)線可以是字線。在另一個(gè)示例性實(shí)施例中，第一信號(hào)線可以是字線，第二信號(hào)線可以是位線。
[0049]在本示例性實(shí)施例中，每個(gè)存儲(chǔ)單元可以是存儲(chǔ)一位(bit)數(shù)據(jù)的單層單元(SLC)或者可以是存儲(chǔ)至少兩位數(shù)據(jù)的多層單元(MLC)?？蛇x地，存儲(chǔ)單元陣列110可以包括SLC和MLC兩者。當(dāng)對(duì)一個(gè)存儲(chǔ)單元寫(xiě)入一位數(shù)據(jù)時(shí)，存儲(chǔ)單元可以根據(jù)寫(xiě)入的數(shù)據(jù)具有兩種電阻電平分布。可選地，當(dāng)對(duì)一個(gè)存儲(chǔ)單元寫(xiě)入兩位數(shù)據(jù)時(shí)，存儲(chǔ)單元可以根據(jù)寫(xiě)入的數(shù)據(jù)具有四種電阻電平分布。在另一個(gè)示例性實(shí)施例中，如果存儲(chǔ)單元是存儲(chǔ)三位數(shù)據(jù)的三層單元(TLC)，則存儲(chǔ)單元可以根據(jù)寫(xiě)入數(shù)據(jù)具有八種電阻電平分布。然而，發(fā)明構(gòu)思的一個(gè)或多個(gè)示例性實(shí)施例不限于此。因此，在其他示例性實(shí)施例中，每個(gè)存儲(chǔ)單元可以存儲(chǔ)至少四位數(shù)據(jù)。
[0050]在本示例性實(shí)施例中，存儲(chǔ)單元陣列110可以包括具有二維(2D)水平結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)單元。在另一個(gè)示例性實(shí)施例中，存儲(chǔ)單元陣列110可以包括具有三維(3D)垂直結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)單元。
[0051]根據(jù)示例性實(shí)施例，存儲(chǔ)單元陣列110可以包括多個(gè)單元區(qū)域。能夠以各種方式來(lái)定義單元區(qū)域。例如，單元區(qū)域可以是頁(yè)單元，所述頁(yè)單元包括連接到同一字線的多個(gè)存儲(chǔ)單元。作為另一個(gè)示例，單元區(qū)域可以是連接到字線和位線的多個(gè)存儲(chǔ)單元。此外，字線可以連接到一個(gè)行解碼器(或行選擇塊)，位線可以連接到一個(gè)列解碼器(或列選擇塊)，可以將上述單元區(qū)域定義為區(qū)塊(tile)。
[0052]存儲(chǔ)單元陣列110可以包括電阻型存儲(chǔ)單元或電阻式存儲(chǔ)單元，該電阻型存儲(chǔ)單元或電阻式存儲(chǔ)單元包括具有可變電阻器的可變電阻器裝置(未示出)。作為一個(gè)示例，當(dāng)由相變材料(例如，Ge-Sb-Te)形成的可變電阻器裝置的電阻根據(jù)溫度改變時(shí)，電阻式存儲(chǔ)裝置可以是相變RAM(PRAM)。作為另一個(gè)示例，當(dāng)可變電阻器裝置由包括上電極、下電極和置于上電極與下電極間的過(guò)渡金屬氧化物的復(fù)合金屬氧化物形成時(shí)，電阻式存儲(chǔ)裝置可以是電阻式RAM(RRAM)。作為另一個(gè)示例，當(dāng)可變電阻器裝置由磁性材料的上電極、磁性材料的下電極和置于上電極與下電極間的電介質(zhì)形成時(shí)，電阻式存儲(chǔ)裝置可以是磁性RAM (MRAM)。在下文中，為了說(shuō)明的目的，將假設(shè)存儲(chǔ)單元陣列110是RRAM。
[0053]寫(xiě)入/讀取電路120對(duì)存儲(chǔ)單元執(zhí)行寫(xiě)入和讀取操作。寫(xiě)入/讀取電路120可以包括寫(xiě)入驅(qū)動(dòng)器和感測(cè)放大器，其中，寫(xiě)入驅(qū)動(dòng)器經(jīng)由位線連接到存儲(chǔ)單元以將數(shù)據(jù)寫(xiě)入存儲(chǔ)單元，感測(cè)放大器放大從存儲(chǔ)單元讀取的數(shù)據(jù)。寫(xiě)入/讀取電路120將電流脈沖或電壓脈沖提供給借助行解碼器(未示出)和列解碼器(未示出)從存儲(chǔ)單元之中選擇的存儲(chǔ)單元，以對(duì)所選擇的存儲(chǔ)單元執(zhí)行寫(xiě)入和讀取操作。
[0054]控制邏輯130可以控制存儲(chǔ)裝置100的寫(xiě)入/讀取操作。控制邏輯130可控制用于執(zhí)行諸如寫(xiě)入操作或讀取操作的存儲(chǔ)操作的寫(xiě)入/讀取電路120。另外，控制邏輯130可以控制電壓生成器140，以生成用于執(zhí)行存儲(chǔ)裝置100的寫(xiě)入操作或讀取操作的電壓?？刂七壿?30可以根據(jù)存儲(chǔ)裝置100的操作模式(例如，設(shè)定寫(xiě)入模式、重置寫(xiě)入模式或讀取模式)來(lái)調(diào)整通過(guò)電壓生成器生成的電壓的種類或者電壓的電壓電平。
[0055]電壓生成器140可以在控制邏輯130的控制下生成存儲(chǔ)裝置100中使用的各種電壓。例如，電壓生成器140可以生成施加到存儲(chǔ)單元的諸如設(shè)定寫(xiě)入電壓、重置寫(xiě)入電壓、讀取電壓和抑制電壓的偏置電壓(或驅(qū)動(dòng)電壓)以及用于生成在行解碼器和列解碼器中使用的開(kāi)關(guān)信號(hào)的電源電壓(或開(kāi)關(guān)電壓)。另外，電壓生成器140可以生成用于改變寫(xiě)入條件或讀取條件的各種基準(zhǔn)電壓。
[0056]當(dāng)執(zhí)行存儲(chǔ)裝置100的寫(xiě)入操作或讀取操