CN103165179A - 一种用于相变存储器的快速数据读取电路 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于相变存储器的快速数据读取电路，其包括存储阵列、固定电阻和缓冲器。该快速数据读取电路还可以包括与固定电阻串联的可变电阻和电阻变化检测电路。本发明的快速数据读取电路采用电阻分压原理，并用简单的缓冲器取代灵敏放大器，这种设计减少了芯片面积，使电路结构更加简单，降低了功耗，提高了数据读取速度。本发明的电阻变化检测电路检测相变材料电阻的变化，控制可变电阻的大小，使分压电路的输出结果更加准确，提高了数据读取准确性。

Description

一种用于相变存储器的快速数据读取电路

技术领域

本发明涉及存储器数据读取技术领域，特别地涉及一种用于相变存储器的快速数据读取电路，尤其适用于高性能嵌入式存储器。

背景技术

相变存储器件具有存储单元尺寸小，非挥发性，循环寿命长，稳定性好，功耗低和可嵌入功能强等优点，特别是在器件特征尺寸的微缩方面的优势尤为突出，业界认为在不久的将来会有越来越大的技术优势。因此它被认为是下一代非挥发存储技术的最佳解决方案之一，在低压，低功耗，高速，高密度和嵌入式存储方面有广阔的前景。

相变存储器件的工作原理主要是通过施加不同大小的特殊脉冲，导致相变材料局部区域因不同温度而产生非晶态与晶态，也即高阻态与低阻态，非晶态表示逻辑“1”，晶态表示逻辑“0”。

目前，相变存储器数据读取方法的主要原则是在不影响相变材料状态的前提下，给相变材料加一个小的电压或者电流，从而产生一个电流或者电压，将这个电压或电流值与一个参考的值比较得到存储结果。单个存储单元的读取原理如图1所示，数据读取电路包括晶体管14，相变材料12，灵敏放大器13，小的电流源11以及开关S11与S12。数据读取的过程分为两个步骤：(1)开关S12合上，一个小的电流注入到相变材料中，产生电压；(2)开关S11合上，产生的电压与参考电压作为灵敏放大器的输入进而通过比较得到存储结果。

图2是一个m行n列的存储阵列，WL<0>到WL<m-1>是m位字线，与开关sw<0>到sw<h-1>共同来选通存储单元，每h列共用一个灵敏放大器(h<n)，所以每个存储阵列共有

个灵敏放大器(

一般是8的整数倍)，即

位输出数据，n越大，即储存器的容量越大，需要的灵敏放大器的个数就越多，这样既消耗了功耗又浪费了面积与时间，而且参考产生电路也将消耗掉一部分电流，这在大规模集成电路中是很不可取的。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种用于相变存储器的快速数据读取电路。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种用于相变存储器的快速数据读取电路，其包括：存储阵列，所述存储阵列具有m行n列相变存储单元，所述相变存储单元包括晶体管和与所述晶体管串联的相变材料，所述m、n为正整数；固定电阻，所述固定电阻的数量为p，所述每一个固定电阻通过一个第一开关与h列相变存储单元相连；缓冲器，所述缓冲器的数量为p，所述每一个缓冲器通过一个第二开关与h列相变存储单元相连，所述p、h为正整数且p×h＝n。

本发明的快速数据读取电路采用电阻分压原理，在电路中设置的固定电阻与相变材料组成分压电路，并用简单的缓冲器取代灵敏放大器，这种设计减少了芯片面积，使电路结构更加简单，降低了功耗，提高了数据读取速度。

在本发明的优选实施例中，快速数据读取电路中还可以包括与固定电阻数量相同的可变电阻，所述每一个固定电阻串联有一个可变电阻。通过在电路中设置可变电阻，在读取数据时充分考虑了工艺对相变材料电阻的影响，提高了数据读取准确性。

在本发明的优选实施例中，快速数据读取电路还可以包括电阻变化检测电路，所述电阻变化检测电路用于检测可变电阻的目标电阻值并控制实现可变电阻的实际电阻值，所述电阻变化检测电路包括：第一比较器，所述第一比较器用于检测所述相变材料高阻状态时的电阻变化值，并将电阻变化值转换成电压信号ΔV_h；第二比较器，所述第二比较器用于检测所述相变材料低阻状态时的电阻变化值，并将电阻变化值转换成电压信号ΔV_l；加法器，所述加法器将电压信号ΔV_h和ΔV_l相加并转换成可变电阻的目标电阻值

电阻阵列，所述电阻阵列包括电阻R_x，所述电阻R_x并联有由数字位C<x>控制的开关，通过数字位C<x>控制开关的合上与打开，控制可变电阻的实际电阻值R_c，所述k为正整数，所述x＝1，2，......，k；第三比较器，所述第三比较器用于比较可变电阻的实际电阻值R_c与可变电阻的目标电阻值ΔR，并将比较结果Vo传输给判断电路；判断电路，所述判断电路通过判断Vo的状态来调整由数字位C<k:1>控制的所述电阻阵列的开关的合上与打开。

该电阻变化检测电路检测相变材料电阻的变化，控制可变电阻的大小，使分压电路的输出结果更加准确，提高了数据读取准确性。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是现有技术中相变存储器单个存储单元的数据读取电路图；

图2是m行n列的相变存储阵列的数据读取电路图；

图3是本发明相变存储器单个存储单元的数据读取电路图；

图4是本发明第一优选实施例的m行n列相变存储阵列的数据读取电路图；

图5是本发明第二优选实施例的m行n列相变存储阵列的数据读取电路图；

图6是本发明电阻变化检测电路原理图。

附图标记：

11电流源；12相变材料；13灵敏放大器；14晶体管；15缓冲器；

S22第一开关；S21第二开关；61第一比较器；62第二比较器；

63加法器；64第三比较器；65判断电路；66电阻阵列。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

图3示出了本发明相变存储器单个存储单元的数据读取电路图，图4示出了本发明第一优选实施例的m行n列相变存储阵列的数据读取电路图，从图中可见，该用于相变存储器的快速数据读取电路包括：存储阵列，该存储阵列具有m行n列相变存储单元，其中，m、n为正整数，相变存储单元包括晶体管14和与晶体管串联的相变材料12。该用于相变存储器的数据读取电路还包括固定电阻和缓冲器15，其中，该固定电阻的数量为p，每一个固定电阻通过一个第一开关S22与h列相变存储单元相连，该固定电阻与选通的相变存储单元的相变材料组成分压电路，在本实施方式中，固定电阻的阻值R_f1为该缓冲器的数量为p，每一个缓冲器通过一个第二开关S21与h列相变存储单元相连，其中，p、h为正整数且p×h＝n。

与图1和图2相比，本发明的数据读取电路省去了参考产生电路，每个灵敏放大器被一个缓冲器15取代，当读取数据时，第一开关S22和第二开关S21合上，节点net1上的电压即是

其中，V_dd为电源电压，R_pcm为相变材料电阻，对于制备相变存储器的给定的成熟工艺，相变材料高阻状态时的电阻值为R_h，相变材料低阻状态时的电阻值为R_l。如果读取数据时，相变材料是高阻状态，那么

如果读取数据时相变材料是低阻状态，那么V₁≈0。V₁直接去驱动缓冲器15，缓冲器15是一个很简单的数字逻辑，可以快速的区分逻辑“1”与逻辑“0”，即可以很快得到正确的数据读出值。

本发明采用缓冲器15取代灵敏放大器，缓冲器15的版图面积远小于灵敏放大器的版图面积，缓冲器15的数据读取时间也短于灵敏放大器，因此本发明的优势还是很明显的。

图5示出了本发明第二优选实施例的m行n列相变存储阵列的数据读取电路图，从图中可见，本发明的数据读取电路图还包括与固定电阻数量相同的可变电阻，每一个固定电阻串联有一个可变电阻，固定电阻与可变电阻一起作为整体与选通的相变存储单元的相变材料组成分压电路。当相变存储器的制备工艺不成熟时，相变材料同一种状态的电阻变化可能很大，假设高阻状态时相变材料的电阻变化为ΔR_h，低阻状态时相变材料的电阻变化为ΔR_l，那么固定电阻与可变电阻的电阻之和为 $R_f=\frac{R_h+{\mathrm{\&Delta;R}}_h+R_l+{\mathrm{\&Delta;R}}_l}{2}=R_{f1}+\frac{{\mathrm{\&Delta;R}}_h+{\mathrm{\&Delta;R}}_l}{2},$ 所以只要检测到相变材料在高阻、低阻状态时电阻的变化之和就可以确定可变电阻的目标电阻值ΔR，即

由于

相对于固定电阻的阻值R_f1来说是一个比较小的值，所以不会占用太大的版图面积。

为了控制可变电阻的实际电阻值R_c，本发明的用于相变存储器的快速数据读取电路还可以包括电阻变化检测电路，用于检测可变电阻的目标电阻值并控制实现可变电阻的实际电阻值，图6示出了本发明电阻变化检测电路原理图，该电阻变化检测电路包括：第一比较器61，该第一比较器61用于检测所述相变材料高阻状态时的电阻变化值，并将电阻变化值转换成电压信号ΔV_h；第二比较器62，该第二比较器62用于检测所述相变材料低阻状态时的电阻变化值，并将电阻变化值转换成电压信号ΔV_l；加法器63，该加法器63将电压信号ΔV_h和ΔV_l相加并转换成可变电阻的目标电阻值

电阻阵列66，该电阻阵列66包括电阻R_x，电阻R_x并联有由数字位C<x>控制的开关，通过数字位C<x>控制开关的合上与打开，控制可变电阻的实际电阻值R_c，其中，k为正整数，x＝1，2，......，k。在本实施方式中，可变电阻的实际电阻值 $R_c=R_1\stackrel{\&OverBar;}{C<1>}+R_2\stackrel{\&OverBar;}{C<2>}+...+R_k\stackrel{\&OverBar;}{C<k>},$ 其中，R_k＝2¹×R_k-1＝2²×R_k-2＝…＝2^k-1×R₁。第三比较器64，该第三比较器64用于比较可变电阻的实际电阻值R_c与可变电阻的目标电阻值ΔR，并将比较结果Vo传输给判断电路；判断电路65，该判断电路65通过判断Vo的状态来调整由数字位C<k:1>控制的所述电阻阵列的开关的合上与打开。当第三比较器64的比较结果Vo＝1时，表示可变电阻的实际电阻值R_c大于可变电阻的目标电阻值ΔR，需要通过控制开关将电阻阵列中接通的电阻值调小；当第三比较器64的比较结果Vo＝0时，表示可变电阻的实际电阻值R_c小于可变电阻的目标电阻值ΔR，需要通过控制开关将电阻阵列中接通的电阻值调大。

在本实施方式中，判断电路的调整方式可以采用让数字位C<k:1>由低到高搜索或者由高到低搜索这种普通的方法，也可采用二进制搜索这种快速的方法，具体使用哪一种方法，可由具体系统要求来确定。需要强调的是，一个芯片中只需要一套电阻变化检测电路，通常在上电时工作。如果工艺偏差很小，那么就可以省去该电阻变化检测电路，更可达到节省功耗以及面积的目的。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种用于相变存储器的快速数据读取电路，其特征在于，包括：

存储阵列，所述存储阵列具有m行n列相变存储单元，所述相变存储单元包括晶体管(14)和与所述晶体管串联的相变材料(12)，所述m、n为正整数；

固定电阻，所述固定电阻的数量为p，所述每一个固定电阻通过一个第一开关(S22)与h列相变存储单元相连；

缓冲器(15)，所述缓冲器(15)的数量为p，所述每一个缓冲器(15)通过一个第二开关(S21)与h列相变存储单元相连，所述p、h为正整数且p×h＝n。

2.如权利要求1所述的用于相变存储器的快速数据读取电路，其特征在于，所述固定电阻的阻值R_f1为

所述R_h为相变材料高阻状态时的电阻值，所述R_l为相变材料低阻状态时的电阻值。

3.如权利要求1所述的用于相变存储器的快速数据读取电路，其特征在于，还包括与所述固定电阻数量相同的可变电阻，所述每一个固定电阻串联有一个可变电阻。

4.如权利要求3所述的用于相变存储器的快速数据读取电路，其特征在于，所述可变电阻的目标电阻值ΔR为

其中ΔR_h为相变材料高阻状态时的电阻变化值，ΔR_l为相变材料低阻状态时的电阻变化值。

5.如权利要求1、3、4之一所述的用于相变存储器的快速数据读取电路，其特征在于，还包括电阻变化检测电路，所述电阻变化检测电路用于检测可变电阻的目标电阻值并控制实现可变电阻的实际电阻值，所述电阻变化检测电路包括：

第一比较器(61)，所述第一比较器(61)用于检测所述相变材料高阻状态时的电阻变化值，并将电阻变化值转换成电压信号ΔV_h；

第二比较器(62)，所述第二比较器(62)用于检测所述相变材料低阻状态时的电阻变化值，并将电阻变化值转换成电压信号ΔV_l；

加法器(63)，所述加法器(63)将电压信号ΔV_h和ΔV_l相加并转换成可变电阻的目标电阻值

电阻阵列(66)，所述电阻阵列(66)包括电阻R_x，所述电阻R_x并联有由数字位C<x>控制的开关，通过数字位C<x>控制开关的合上与打开，控制可变电阻的实际电阻值R_c，所述k为正整数，所述x＝1，2，......，k；

第三比较器(64)，所述第三比较器(64)用于比较可变电阻的实际电阻值R_c与可变电阻的目标电阻值ΔR，并将比较结果Vo传输给判断电路；

判断电路(65)，所述判断电路(65)通过判断Vo的状态来调整由数字位C<k:1>控制的所述电阻阵列的开关的合上与打开。

6.如权利要求5所述的用于相变存储器的快速数据读取电路，其特征在于，所述可变电阻的实际电阻值R_c为： $R_c=R_1\stackrel{\&OverBar;}{C<1>}+R_2\stackrel{\&OverBar;}{C<2>}+...+R_k\stackrel{\&OverBar;}{C<k>},$ 其中，R_k＝2¹×R_k-1＝2²×R_k-2＝…＝2^k-1×R₁。

7.如权利要求5或6所述的用于相变存储器的快速数据读取电路，其特征在于，当第三比较器的比较结果Vo＝1时，表示可变电阻的实际电阻值R_c大于可变电阻的目标电阻值ΔR，需要通过开关将电阻阵列中接通的电阻值调小；当第三比较器的比较结果Vo＝0时，表示可变电阻的实际电阻值R_c小于可变电阻的目标电阻值ΔR，需要通过开关将电阻阵列中接通的电阻值调大。

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