專利名稱：一種阻變存儲單元讀出放大電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成電路設(shè)計領(lǐng)域阻變存儲單元陣列外圍的讀出放大電路，具體涉及 一種用直流增益變化來采樣阻值變化，用可控電容分壓器來產(chǎn)生參考電壓的讀出放大電 路。
背景技術(shù)：
非易失性存儲器是一種能在掉電后仍保存原有存儲信息的存儲器，在現(xiàn)代電子 系統(tǒng)中得到了廣泛的運用。非易失性存儲器種類繁多，阻變存儲器(Resistive Random Access Memory,RRAM)是其中的一種。由于阻變存儲器具有超高的存儲密度、結(jié)構(gòu)簡單、速 度快和非易失性的特點，應(yīng)用前景十分廣闊。阻變存儲單元陣列是阻變存儲器的核心，由大量的阻變存儲單元按照一定的空間 結(jié)構(gòu)組成。交叉電極結(jié)構(gòu)是一種典型的阻變存儲單元陣列結(jié)構(gòu)，其集成度較高、兼容主流的 微電子工藝。交叉電極結(jié)構(gòu)為兩層相互垂直交叉的平行納米線，形成一個網(wǎng)格。在每個交 叉點處形成一個阻變存儲單元，阻變存儲單元以高阻態(tài)和低阻態(tài)分別表示邏輯“0”和“1”。

圖1是交叉電極結(jié)構(gòu)阻變存儲單元陣列物理結(jié)構(gòu)示意圖。阻變存儲單元由頂電極、底電極 和中間插入的阻變材質(zhì)組成，圖2是其橫截面示意圖。圖3為阻變存儲單元的電壓和電流 關(guān)系示意圖，其中虛線為高阻態(tài)存儲單元的I-V曲線，實線為低阻態(tài)存儲單元的I-V曲線。 阻變存儲單元兩端的電壓達到或超過高阻態(tài)轉(zhuǎn)換電位A點電壓值時，阻變存儲單元轉(zhuǎn)變?yōu)?高阻態(tài)，阻變存儲單元兩端的電壓達到或超過低阻態(tài)轉(zhuǎn)換電位B點電壓值時，轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥?態(tài)。阻變存儲單元兩端的電壓在A點電壓值和B點電壓值之間時阻態(tài)不發(fā)生轉(zhuǎn)變。利用阻 變存儲單元的這個特性，通過改變外加電壓的大小來改變阻變存儲單元的阻態(tài)從而實現(xiàn)信 息的寫入；讀取數(shù)據(jù)時，在阻變存儲單元兩個電極上施加讀取電壓，通過檢測阻變存儲單元 阻態(tài)，實現(xiàn)信息的讀取。為了檢測分辨阻變存儲單元的阻態(tài)，將流過阻變阻變存儲單元的電 流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘栠M行讀出放大是一種有效的方式。圖4是一種典型的讀出放大結(jié)構(gòu)，WL1為阻變存儲陣列的第一字線，WL2為阻變存 儲陣列的第二字線，……，ffh為阻變存儲陣列的第j字線，……，WLp為阻變存儲陣列的 第P字線，BL1為阻變存儲陣列的第一位線，BL2為阻變存儲陣列的第二位線，……，BLi為 阻變存儲陣列的第i位線，……，BLn為阻變存儲陣列的第N位線，N為阻變存儲單元陣列 的位線數(shù)目，P為阻變存儲陣列字線的數(shù)目，P和N均為正整數(shù)。該讀出放大結(jié)構(gòu)由比較讀 出級、參考電壓產(chǎn)生電路兩部分組成。其中比較讀出級由N個讀出位組成，分別對應(yīng)阻變 存儲單元陣列的N個位線，即第一讀出位對應(yīng)第一位線，第二讀出位對應(yīng)第二位線，以此類 推。每個讀出位均由負載電阻、電壓比較器組成，第一讀出位的負載電阻的一端連接阻變存 儲單元陣列的第一位線和第一讀出位的敏感放大器的正向輸入端，另一端接地，第一讀出 位中的敏感放大器的反相輸入端連接參考電壓產(chǎn)生電路的輸出端VMf，第一讀出位的輸出 Voutl連接到外部輸出；第二讀出位至第N讀出位中負載電阻和敏感放大器的連接方式與第 一讀出位類似，即每個讀出位的負載電阻的一端與該讀出位對應(yīng)的位線和該讀出位中的敏感放大器的正向輸入端相連，另一端接地，每個讀出位的敏感放大器的反相輸入端連接參 考電壓產(chǎn)生電路的輸出端Vref，每個讀出位的輸出端接外部輸出。參考電壓產(chǎn)生電路由M個 分壓元件和運算放大器組成，M為正整數(shù)，每個分壓元件均為電阻，M個分壓元件采用串連 方式連接，每兩個分壓元件的結(jié)合部形成一個分壓點，分壓點的電位可計算得出，根據(jù)電路 的需要，選擇合適的分壓點(圖中以A點表示)。運算放大器的正向輸入端連接一個分壓點 如A點，運算放大器的輸出端VMf與其反相輸入端相連形成一個電壓跟隨器，用以提高驅(qū)動 能力。參考電壓產(chǎn)生電路的輸出端Vref連接到比較讀出級中每個讀出位的敏感放大器的反 相輸入端，用以提供參考電壓。這種典型的讀出放大電路對阻變存儲單元Mitl進行讀操作時，在第一字線WL1上加 讀取電壓，第一位線BL1接地，第一讀出位的電壓比較器將第一讀出位的負載電阻上的分壓 與參考電壓產(chǎn)生電路的輸出電壓比較，當負載電阻上的分壓大于時，放大產(chǎn)生一個 二進制輸出信號1，即V。utl為1，當負載電阻上的分壓小于VMf時，放大產(chǎn)生一個二進制輸出 信號0，即V。utl為0，從而實現(xiàn)對阻變存儲單元Hiici阻態(tài)的讀取。其他存儲單元的讀出方式 與此相同。然而，對于圖4的讀出放大電路而言，有幾個方面的不足將嚴重影響讀出放大電 路的性能1.無法消除由圖1所示的交叉電極結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的干擾電流的影響，阻變存儲單元陣 列容量的增大受到了限制。由于阻變存儲單元本身的電學特性和交叉電極結(jié)構(gòu)的特性，使 得采用如圖4的讀出放大電路時無法消除阻變存儲單元陣列的位線之間的干擾電流，在阻 變存儲單元陣列的字線和位線數(shù)量增加時，干擾電流將隨之增大，從而對阻變存儲單元陣 列容量的增大造成了限制。其具體產(chǎn)生原因如圖6所示，若rmo單元為高阻態(tài)，rn^rn^rn^ 三個單元都為低阻態(tài)，在第一字線WL1上加讀取電壓，第一位線BL1接地，讀Mitl單元的值 時，虛線標明的路徑表示流經(jīng)Mltl的電流，實線標明的路徑為潛通路，流過潛通路的為干擾 電流。隨著阻變存儲單元陣列容量的增大，潛通路的數(shù)量增加，干擾電流將逐漸趨于嚴重， 導致讀出放大電路不能正確地識別阻變存儲單元的阻態(tài)。2.讀出放大電路的直流功耗較大。由于比較讀出級的各個讀出位中使用負載電阻 作為檢測阻變存儲單元阻態(tài)的元件，從而導致從阻變存儲單元陣列的字線到地之間存在直 流通路，當阻變存儲單元陣列的位線數(shù)量增多時導致讀操作的直流功耗隨之增大。同時，由 于參考電壓產(chǎn)生電路中使用電阻作為分壓元件，導致輸入電壓Vinput對地存在直流通路，產(chǎn) 生了較大的直流功耗。以上原因?qū)е伦x出放大電路整體的直流功耗較大。3.參考電壓產(chǎn)生電路的精確性受到影響。參考電壓產(chǎn)生電路的輸出電壓Vref的精 度對其中的分壓元件的匹配精度有較強的依賴性，在集成電路的制備工藝過程中，電阻不 易實現(xiàn)精確的匹配，由于參考電壓產(chǎn)生電路中使用了電阻作為分壓元件，從而降低了參考 電壓產(chǎn)生電路的精確性。由于以上缺點的存在，需要對原有的阻變存儲單元讀出放大電路加以改進，以降 低由交叉電極結(jié)構(gòu)和阻變存儲單元本身的電學特性產(chǎn)生的干擾電流的影響，進一步降低原 有讀出放大電路的直流功耗，同時提高參考電壓產(chǎn)生電路的精確性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題是提供一種新型阻變存儲單元讀出放大電路，降低由交叉電極結(jié)構(gòu)阻變存儲單元陣列本身的電學特性帶來的干擾電流對讀操作的影響，降低讀出放 大電路的整體直流功耗，提高參考電壓產(chǎn)生電路的精確性。本發(fā)明的技術(shù)方案是本發(fā)明阻變存儲單元讀出放大電路也由比較讀出級和參考電壓產(chǎn)生電路組成。比 較讀出級由N個(N為阻變存儲單元陣列位線的數(shù)目)讀出位組成，分別與阻變存儲單元陣 列位線一一對應(yīng)，即第i讀出位對應(yīng)第i位線BLi, 1彡i彡N，。每個讀出位由一個敏感放 大器、一個反饋電阻、一個電壓比較器組成。在第i讀出位中，敏感放大器的正向輸入端接 地，反相輸入端與第i位線BLi相連，敏感放大器的輸出端Vtji通過反饋電阻連接到該敏感 放大器的反相輸入端，電壓比較器的反相輸入端與敏感放大器的輸出端Vtji相連，電壓比較 器的正向輸入端與參考電壓產(chǎn)生電路的輸出端Vref相連，電壓比較器的輸出端V。uti作為第 i讀出位的輸出端連接到外部輸出。參考電壓產(chǎn)生電路由M個(M為正整數(shù))分壓元件和一個運算放大器組成，每個分 壓元件均為電容。M個分壓元件按照如下方式串連第一分壓元件的輸入端IN1接地，第一 分壓元件的輸出端OUT1連接到第二分壓元件的輸入端m2，第二分壓元件的輸出端OUT2連 接到第三分壓元件的輸入端IN3,以此類推，第j (1彡j彡M-1)分壓元件的輸出端OUTj連 接到第j+Ι分壓元件的輸入端1 +1，第M個分壓元件的輸出端與基準電壓源Vinput相連。在 第一分壓元件的輸出端OUT1與第二分壓元件的輸入端m2接合部產(chǎn)生第一分壓點，以此類 推，在第j分壓元件的輸出端OUL與第j+Ι分壓元件的輸入端INf1產(chǎn)生第j分壓點，即在 每兩個分壓元件的接合部產(chǎn)生一個分壓點。這些分壓元件對基準電壓源的電壓Vinput進行 分壓，第j分壓點的電位、滿足
權(quán)利要求
1.一種阻變存儲單元讀出放大電路，它由比較讀出級和參考電壓產(chǎn)生電路組成，比較 讀出級由N個讀出位組成，N個讀出位與阻變存儲單元陣列位線一一對應(yīng)，即第i讀出位對 應(yīng)第i位線BLi, 1彡i彡N，N為阻變存儲單元陣列位線的數(shù)目；參考電壓產(chǎn)生電路由M個 分壓元件和一個運算放大器組成，M為正整數(shù)；其特征在于所述比較讀出級中的每個讀出位由一個敏感放大器、一個反饋電阻、一個電壓比較器 組成；在第i讀出位中，敏感放大器的正向輸入端接地，反相輸入端與第i位線BLdH連，敏 感放大器的輸出端Vtji通過反饋電阻連接到該敏感放大器的反相輸入端，電壓比較器的反 相輸入端與敏感放大器的輸出端Vtji相連，電壓比較器的正向輸入端與參考電壓產(chǎn)生電路 的輸出端相連，電壓比較器的輸出端V。uti作為第i讀出位的輸出端連接到外部輸出；所述參考電壓產(chǎn)生電路中的每個分壓元件均為電容，M個分壓元件按照如下方式串連 第一分壓元件的輸入端IN1接地，第j分壓元件的輸出端OUL連接到第j+Ι分壓元件的輸 入端1 +1，第M個分壓元件的輸出端與基準電壓源Vinput相連，1彡j彡M-1，在每兩個分壓 元件的接合部產(chǎn)生一個分壓點，即在第j分壓元件的輸出端OUL與第j+i分壓元件的輸入 端INp1產(chǎn)生第j分壓點；所述參考電壓產(chǎn)生電路中的運算放大器的正向輸入端與第j分壓點相連，運算放大器 的輸出端連接到該運算放大器的反相輸入端，構(gòu)成一個電壓跟隨器，運算放大器的輸出 端Vref作為參考電壓產(chǎn)生電路的輸出端與比較讀出級中每個讀出位中電壓比較器的正向輸 入端相連。
2.如權(quán)利要求1所述的一種阻變存儲單元讀出放大電路，其特征在于所述參考電壓產(chǎn) 生電路中分壓點j滿足J = :，公式四Vh為阻變存儲單元位于高阻態(tài)時讀出位中敏感放大器輸出端Vtji對應(yīng)的電壓值，Vl為 阻變存儲單元位于低阻態(tài)時讀出位中敏感放大器輸出端Vtji對應(yīng)的電壓值，T為電壓分辨精 度，電壓分辨精度指一個分壓元件所分的最小電壓。
3.如權(quán)利要求1所述的一種阻變存儲單元讀出放大電路，其特征在于所述參考電壓產(chǎn) 生電路中分壓元件的個數(shù)M滿足M = (^)-Vmput 公式二Vinput為基準電壓源的電壓，T為電壓分辨精度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種阻變存儲單元讀出放大電路，目的是提供一種新型阻變存儲單元讀出放大電路，降低干擾電流對讀操作的影響，降低整體直流功耗，提高參考電壓產(chǎn)生電路的精確性。本發(fā)明由比較讀出級和參考電壓產(chǎn)生電路組成，比較讀出級由N個讀出位組成，N個讀出位與阻變存儲單元陣列位線一一對應(yīng)，參考電壓產(chǎn)生電路由M個分壓元件和一個運算放大器組成；每個讀出位由一個敏感放大器、一個反饋電阻、一個電壓比較器組成；參考電壓產(chǎn)生電路中的每個分壓元件均為電容，電容采用串聯(lián)的方式，運算放大器的正向輸入端與一個分壓點相連。采用本發(fā)明可降低誤讀率，降低整體直流功耗，提高參考電壓產(chǎn)生電路輸出參考電壓的精度。
文檔編號G11C7/06GK102122525SQ20111009373
公開日2011年7月13日 申請日期2011年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月14日
發(fā)明者劉剛, 勵楠, 孫鶴, 張超, 方糧, 段志奎, 池雅慶, 隋兵才, 馬卓 申請人:中國人民解放軍國防科學技術(shù)大學