CN102479546B

CN102479546B - 一种对电阻存储器进行编程的电路

Info

Publication number: CN102479546B
Application number: CN201010573813.1A
Authority: CN
Inventors: 刘明; 张森; 刘琦; 龙世兵
Original assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Current assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Priority date: 2010-11-30
Filing date: 2010-11-30
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2030-11-30
Also published as: CN102479546A

Abstract

本发明公开了一种对电阻存储器进行编程的电路，该电路持续施加激励电压到电阻存储器上，直至编程成功，并在编程成功之后立刻终止编程电信号，该电路包括一个RS触发器、一个电平偏置单元、一个电流镜电路和电流比较电路和一个反相器。利用本发明，提高了编程操作的可靠性，改善了存储器电阻状态的分布均一性。

Description

一种对电阻存储器进行编程的电路

技术领域

本发明涉及信息存储技术领域，具体涉及一种对电阻存储器进行编程的电路，该编程是由低阻驱动到高阻，或者是由高阻驱动到低阻。

背景技术

目前主流的非挥发性存储器都是基于浮栅式MOS管单元结构。它通过在浮栅中写入或擦除电荷来改变MOS管的阈值电压，根据阈值电压的高低记忆信息。浮栅型存储器的概念最早由D.Kahng and S.M.Sze于1967年提出，基于此概念，半导体工业相继发展出EPROM、EEPROM及目前主流的FLASH存储器。手机、mp3和各种移动电子产品的发展使FLASH类的非挥发性存储器拥有非常广大的市场，并且这一市场还在不断增大。

但是，随着半导体工业的技术升级和换代，浮栅型存储器的不足也越来越明显。第一，浮栅型存储器在60nm至45nm工艺的缩小化过程中会遇到很大的因难，因为它的电荷写入和擦除机制要求栅保持在一定的厚度，该值不能与器件尺寸一同缩小。第二，浮栅存储单元采用沟道热电子注入方式向浮栅写入电荷，编程时源漏电压必须大于或等于3.2V才能使沟道电子获得足够穿过隧穿介质层的能量，这限制了浮栅存储器功耗的降低。第三，浮栅存储器的写入擦除速度低，目前的产品指标都在微秒量级，这大大限制了它的应用范围，尤其是集成到嵌入式系统。因此，以高密度、高速低功耗为主要特征的下一代非挥发性存储器成为了当前的研究热点。

电阻式存储器，是一类正在积极研究中的新型非挥发性存储器。它具有操作速度快、功耗低、多状态记忆、结构简单、适应于微缩化，与目前的CMOS工艺兼容好等优点，是下一代非挥发性存储器的有力的竞争者之一。

电阻式存储器的存储原理是某些薄膜材料能够具有不同的电阻状态，并在一定条件的电压作用下在不同电阻状态间转换，可以施加一较小的电压来感测材料的电阻而不引起它的电阻状态改变。提高电阻转变型存储器的性能，包括提高重复写入擦除次数、改善数据状态保持能力、降低操作电压和电流、提高器件产率、改善参数值的均一特性是电阻转变型存储器的研发重点。

电阻存储器在外部电激励作用下改变电阻，它的电阻状态与其所受到的电激励相关。传统的对电阻存储器编程的方法包括直流电信号扫描和电压脉冲两种。直流电信号扫描是对电阻存储器施加从零开始逐渐增大的电压直至某一定值，而电压脉冲是对器件施加脉冲，更适合于实际的电路实现。

但是，由于电阻转变的发生具有随机性，对于固定了时间和幅度的脉冲，编程可能在脉冲结束之前就已经成功，或者在脉冲结束后未能成功。对于前一情况，电阻已发生变化后持续施加的脉冲会造成器件的电阻值分散范围扩大，降低存储器的可靠性。而对后者，编程电路需要进行编程后验证，如果未编程成功则需要再进行编程操作，如此循环进行直到成功。这大大增加了电路的复杂度。

因此，需要开发能减小编程后电阻的分散性的新的编程电路。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种对电阻存储器进行编程的电路，以提高编程操作的可靠性，改善电阻状态的分布均一性。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种对电阻存储器进行编程的电路，该电路持续施加激励电压到电阻存储器上，直至编程成功，并在编程成功之后立刻终止编程电信号，该电路包括一个RS触发器、一个电平偏置单元、一个由电流镜电路及电流比较电路组成的反馈单元、一个参考电阻和一个反相器，其中，RS触发器的输出控制电平偏置单元；电平偏置单元输出的电平用于对电阻存储器进行编程或擦除；反馈单元返回的信号使RS触发器复位。

上述方案中，在合适的电压作用下所述电阻存储器能够在不同的电阻状态间变化，且电阻状态在掉电后能够保持，因而可用来保存信息。

上述方案中，所述电阻存储器的电阻由高阻转变为低阻时，编程电流由小变为大；电阻由低转变为高时，编程电流由大变为小。

上述方案中，所述激励电压通过电流镜的一个支路施加到电阻存储器上，其电流被电流镜复制到另一支路。

上述方案中，用同样的电流镜或一参考电阻产生参考电流，参考电流与编程电流之差产生控制电平，当电阻存储器为高阻时，编程电流小，控制电平为高电平；当电阻存储器为低阻时，电流大，控制电平为低电平；电阻存储器由高阻转变为低阻时，控制电平由高转变为低；电阻存储器由低阻编程为高阻时，控制电平由低电平变化为高电平。

上述方案中，所述激励电压由所述电平偏置单元产生。

上述方案中，所述电平偏置单元由所述RS触发器的输出控制，RS置位则电平偏置单元输出激励电压，RS复位则电平偏置单元输出零电平。

上述方案中，所述RS触发器的复位受到控制电平控制，对电阻由高阻编程到低阻时，控制电平由大到小的变化引起RS触发器复位；对电阻存储器由低阻编程到高阻时，参考电阻上电平由小到大的变化引起RS触发器复位。

(三)有益效果

本发明提供的这种对电阻存储器进行编程的电路，其突出功能是激励电压会持续施加在电阻存储器上，直至编程成功，并在编程成功之后立刻终止编程的电信号。因此该电路能得到了两个方面的改善：1.提高了编程操作的可靠性；2.改善了电阻状态的分布均一性。

附图说明

图1是驱动电阻转变型存储器由高电阻转变为低电阻的编程电路示意图；

图2是图1电路的工作示意图；

图3是电阻存储器由高阻被驱动到低阻状态时，激励电平会自动撤除的原理图；

图4是驱动电阻转变型存储器由低电阻转变为高电阻的编程电路；

图5是驱动电阻由低变为高的编程电路的自动复位的原理图。

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。

以驱动电阻转变型存储器由高电阻转变为低电阻的编程电路为例，图1是它的示意图。电路由一个RS触发器、一个电平偏置单元、一个电流镜及电流比较电路和反相器构成。RS触发器的输出控制电平偏置单元；电平偏置单元输出的电平用于对电阻存储器进行编程或擦除；反馈单元返回的信号使RS触发器复位。

其中，RS触发器由两个双输入NAND门组成，输入有效使能电平为低电平，输出有效电平为高电平。RS触发器的输出控制一个电平偏置单元，当RS触发器输出为1时，电平偏置单元输出用于编程的高电平，当RS触发器输出0时，电平偏置单元输出零电平。MP0和MP2、MP1和MP3、MN0和MN1各组成一个电流镜，Rcell为电阻存储单元，Rref为一个阻值适当的常规电阻。电流镜使得MN0从reset节点抽取的电流等于通过电阻存储单元的电流，而MP2向reset节点灌入的电流等于参考电流。当MN0抽取的电流大于MP2灌入的电流时，reset节点电压为低；当MN0抽取的电流小于MP2灌入的电流时，reset节点为高电压。当参考电阻大小适当时，电阻存储器的电流变化会引起reset节点的电压变化这一电平变化再通过反相器使RS触发器复位。

在初始态时电阻存储器件Rcell是高阻，RS触发器的Q输出端为0，处于复位状态。然后编程电路将按示意图2和图3的步骤工作。首先读写控制电路向RS触发器的置位端发送一个低电平短脉冲，将Q置位为1，电平偏置单元输出编程电平。因为电阻存储器为高电阻，通过它的电流小，节点reset上的电压Vctrl为高电平。

图3是电阻存储器由高阻被成功驱动到低阻状态时，激励电平会自动撤除的原理示意。当电阻由高变为低时，支路中的电流由小变为大，Vctrl会由大变小，这一电平变化通过反相器后，将RS触发器复位，从而撤除编程电平。

图4是驱动电阻转变型存储器由低电阻转变为高电阻的编程电路。电路结构与图1基本类似，不同之处仅仅在于参考电阻上的电平只要经过一个串联的反相器后控制RS触发器复位。

图5是驱动电阻由低变为高的编程电路的自动复位的原理图。电阻由低阻状态变为高阻态后，支路中的电流变小，致使reset节点上的电压Vctrl由低电平变为高电平，该变化的电平再通过反相器将RS触发器复位，从而撤除编程电平。

因此，通过本发明所提供的驱动电阻转变型存储器的编程电路，能够实现对电阻转变型存储器电阻转变的实时感测，能对存储器件持续施加编程电压直到电阻发生转变，并在电阻转变后立刻撤除编程电压，使得电阻转变型存储器编程操作更可靠。

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

1.一种对电阻存储器进行编程的电路，其特征在于，该电路持续施加激励电压到电阻存储器上，直至编程成功，并在编程成功之后立刻终止编程电信号，该电路包括一个RS触发器、一个电平偏置单元、一个由电流镜电路及电流比较电路组成的反馈单元、一个参考电阻和一个反相器，

其中，RS触发器的输出控制电平偏置单元；电平偏置单元输出的电平用于对电阻存储器进行编程或擦除；反馈单元返回的信号使RS触发器复位；当参考电阻大小适当时，电阻存储器的电流变化会引起reset节点的电压变化这一电平变化再通过反相器使RS触发器复位；当电阻由高变为低时，支路中的电流由小变为大，Vctrl会由大变小，这一电平变化通过反相器后，将RS触发器复位，从而撤除编程电平；电阻由低阻状态变为高阻态后，支路中的电流变小，致使reset节点上的电压Vctrl由低电平变为高电平，该变化的电平再通过反相器将RS触发器复位，从而撤除编程电平；

所述reset节点位于晶体管MP2与晶体管MN0之间，晶体管MN0从reset节点抽取的电流等于通过电阻存储单元Rcell的电流，而晶体管MP2向reset节点灌入的电流等于参考电流；所述支路的电流是通过晶体管MP1和电阻存储单元Rcell的电流；其中，晶体管MP0和晶体管MP2、晶体管MP1和晶体管MP3、晶体管MN0和晶体管MN1各构成一个电流镜，晶体管MP0和晶体管MP2构成的电流镜用于将Rref的电流传送到reset节点，电阻存储单元Rcell的电流通过晶体管MP1和晶体管MP3构成的电流镜与晶体管MN0和晶体管MN1构成的电流镜传送到reset节点。

2.根据权利要求1所述的对电阻存储器进行编程的电路，其特征在于，在合适的电压作用下所述电阻存储器能够在不同的电阻状态间变化，且电阻状态在掉电后能够保持，因而可用来保存信息。

3.根据权利要求2所述的对电阻存储器进行编程的电路，其特征在于，所述电阻存储器的电阻由高阻转变为低阻时，编程电流由小变为大；电阻由低转变为高时，编程电流由大变为小。

4.根据权利要求1所述的对电阻存储器进行编程的电路，其特征在于，所述激励电压通过电流镜的一个支路施加到电阻存储器上，其电流被电流镜复制到另一支路。

5.根据权利要求1所述的对电阻存储器进行编程的电路，其特征在于，用同样的电流镜或一参考电阻产生参考电流，参考电流与编程电流之差产生控制电平，当电阻存储器为高阻时，编程电流小，控制电平为高电平；当电阻存储器为低阻时，电流大，控制电平为低电平；电阻存储器由高阻转变为低阻时，控制电平由高转变为低；电阻存储器由低阻编程为高阻时，控制电平由低电平变化为高电平。

6.根据权利要求1所述的对电阻存储器进行编程的电路，其特征在于，所述激励电压由所述电平偏置单元产生。

7.根据权利要求1所述的对电阻存储器进行编程的电路，其特征在于，所述电平偏置单元由所述RS触发器的输出控制，RS置位则电平偏置单元输出激励电压，RS复位则电平偏置单元输出零电平。

8.根据权利要求5所述的对电阻存储器进行编程的电路，其特征在于，所述RS触发器的复位受到控制电平控制，对电阻由高阻编程到低阻时，控制电平由大到小的变化引起RS触发器复位；对电阻存储器由低阻编程到高阻时，参考电阻上电平由小到大的变化引起RS触发器复位。