CN103839585A - 一种具有读取自参考功能的 2-1t1r rram 存储单元 - Google Patents

一种具有读取自参考功能的 2-1t1r rram 存储单元 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种具有读取自参考功能的2-1T1R RRAM存储单元,该存储单元由两个传统的RRAM1T1R存储单元组成，一个为主存储单元，另外一个为参考存储单元。写操作时，将两个1T1R存储单元分别写入两个相反的状态，主存储单元写入‘1’，参考存储单元写入‘0’，则2-1T1R存储的值为‘1’；或者主存储单元写入‘0’，参考存储单元写入‘1’，则2-1T1R存储的值为‘0’；读操作时，参考存储单元作为产生主存储单元读取参考电流的参考单元。与传统的存储阵列使用固定读取参考电流或利用共享的参考单元产生读取参考电流相比，本发明读操作时的读裕度增加了一倍，大大提高了读取速度和成功率。

Description

一种具有读取自参考功能的 2-1T1R RRAM 存储单元
【技术领域】
本发明涉及新兴的非挥发随机存储器设计领域，具体涉及一种基于1T1RRRAM的存储单元。
【背景技术】
近几年在智能手机、智能电视和平板电脑等消费类市场牵引下，flash存储器得到迅速发展。但是，由于复杂的掩模图形及昂贵的制造成本，越来越大的字线漏电和单元之间的串扰，以及浮栅中电子数目越来越少等原因，其尺寸缩小能力受到了很大限制，估计发展到1z nm将很难继续往下发展。因此，新兴的非挥发存储器CBRAM、MRAM、PRAM、RRAM等越来越受到重视，其中RRAM凭借高速度、大容量、低功耗、低成本和高可靠性被认为是flash最有力的候选者。
但是，由于工艺电压温度（PVT）的影响，RRAM阻变单元电阻大小存在严重的一致性问题，晶圆和晶圆之间，芯片与芯片之间，同一芯片上不同区域都存在着电阻大小的偏差。无论是高阻态还还是低阻态，电阻大小都是有一定范围的正太分布。因此，对于基于电流模式的读取电路来说，就很难提供一个比较理想的参考电流。首先采用固定参考电流是不可能，因为它无法跟踪阻变单元高阻态和低阻态因为区域和温度带来的偏差。对于共享的的参考单元来说，虽然能够跟踪电阻随着区域和温度的变化，但参考单元本身电阻大小也存在一致性问题，呈正太分布，对于高阻单元或者低阻单元不能保证读取裕度始终为(IL–IH)/2（IL为阻变单元处于低阻态时的电流，IH为阻变单元处于高阻态时的电流），所以不仅会降低读取速度，还大大减小了读取成功率。
【发明内容】
本发明提出一种具有读取自参考功能的阻变随机存储器（RRAM）存储单元，2-1T1R(2-1Transistor1Resistor)，处于相反状态的参考存储单元为主存储单元产生参考电流，读取裕读始终为IL–IH，大大提高了读取速度和成功率。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种具有读取自参考功能的2-1T1R RRAM存储单元，包括两个1T1RRRAM存储单元1T1R1和1T1R2。1T1R为传统的RRAM存储单元结构，R为阻变单元，具有高阻和低阻两个状态，T为选择晶体管，当R为低阻态时，1T1R存储值为‘1’，当R为高阻态时，1T1R存储值为‘0’。
1T1R1和1T1R2均可以作为主存储单元或参考存储单元，若1T1R1作为主存储单元，则1T1R2作为参考存储单元，若1T1R2作为主存储单元，则1T1R1作为参考存储单元。
写操作时，主存储单元写入‘1’（R为低阻态），参考存储单元写入‘0’（R为高阻态），2-1T1R存储单元写入值为‘1’，主存储单元写入‘0’，参考存储单元写入‘1’，2-1T1R存储单元写入值为‘0’。
读操作时，参考存储单元为主存储单元产生读取参考电流，读取电路将主存储单元产生的读取电流和参考存储单元产生读取参考电流进行比较，若读取电流大于读取参考电流，读出值为‘1’，反之，读出值为‘0’。
相对于现有技术，本发明具有以下优点：
该2-1T1R RRAM存储单元主要由两个传统的1T1R存储单元组成，一个为主存储单元，另一个参考存储单元，处于相反状态的参考存储单元为主存储单元产生读取参考电流，不仅可以跟踪区域和温度带来的电阻偏差，而且相对于采用固定参考电流和共享参考单元产生参考电流，还将读取裕度从(IL–IH)/2提高一倍至IL–IH，且可以始终保持为IL–IH，大大提高了读取速度和成功率；适合高速嵌入式应用。
【附图说明】
图1为传统1T1R RRAM存储单元结构图。
图2为本发明的2-1T1R RRAM存储单元结构图。
图3为基于传统1T1R存储单元的一个存储阵列实例。
图4为基于本发明的2-1T1R存储单元的一个存储阵列实例。
图5为基于电流模式灵敏放大器的读取原理图。
为便于阅读附图，各附图标号分为带有下划线和不带下划线两种，其中带有下划线的标号指代电子元器件或功能单元，不带下划线的标号指代线路。
【附表说明】
表1为传统1T1R RRAM存储单元读写操作条件。
表2为本发明的2-1T1R RRAM存储单元读写操作条件。
【具体实施方式】
下面结合附图和附表对本发明的实施方式做进一步描述。
请参阅图1所示，图1为传统的1T1R RRAM存储单元结构。包括一个阻变单元15和一个NMOS选择晶体管16，15的阳极与位线11连接，阴极与16的漏端13相连，16的源端与源线12连接，栅端与字线14连接。当15为高阻态时，1T1R存储值为‘1’，当15为低阻态时，1T1R存储值为‘0’。
请参阅表1所示，表1给出了传统1T1R RRAM存储单元的读写操作条件。当对1T1R写‘1’时，即对15进行set（set为R从高阻态变为低阻态的过程），字线14接电压Vset_wl，位线11接电压Vset,源线12接地线GND；当对1T1R写‘0’时，即对15进行reset（reset为R从低阻态变为高阻态的过程），字线14接电压Vreset_wl，位线11与接地线GND,源线12接电压Vreset。当对1T1R进行读取时，字线14接电源电压VDD，位线11接电压Vread,源线12与地线连接，将位线11上的电流和参考电流（固定参考电流或共享参考单元产生的参考电流）送往基于电流模式的灵敏放大器，如果位线11上的电流大于参考电流，则读取值为“1”，反之，则读取值为“0”。
表1
1T1R set reset read
WL Vset_wl Vreset_wl VDD
BL Vset 0 Vread
SL 0 Vreset 0
state LRS(1) HRS(0) 1/0
请参阅图2所示，图2为本发明提出的具有读取自参考功能的2-1T1RRRAM存储单元，包括两个传统的1T1R RRAM存储单元1T1R1和1T1R2。1T1R1和1T1R2均为图1所示1T1R结构，读写操作条件也如表一所示。1T1R1包括阻变单元24和选择晶体管25，位线、源线和字线分别为21、22和23；1T1R2包括阻变单元29和选择晶体管30，位线、源线和字线分别为26、27和28。1T1R1和1T1R2均可以作为主存储单元或参考存储单元，若1T1R1作为主存储单元，则1T1R2作为参考存储单元。如果主存储单元1T1R1存储值为‘1’（24为低阻态），参考存储单元1T1R2存储值为‘0’（29为高阻态），则2-1T1R存储单元存储值为‘1’，反之，1T1R1存储值为‘0’（24为高阻态），1T1R2值为‘1’（29为低阻态），2-1T1R存储单元存储值为‘0’。
请参阅表2所示，表2给出了1T1R1为主存储单元，1T1R2为参考存储单元时2-1T1R RRAM存储单元的读写操作条件。当对2-1T1R写‘1’时，即分别对1T1R1中24进行set（1T1R1写入‘1’），对1T1R2中29进行reset（1T1R2写入‘0’），1T1R1中字线23接电压Vset_wl，位线21接电压Vset,源线22接地线GND，1T1R2中字线28接电压Vreset_wl，位线26接地线GND,源线27接电压Vreset；当对2-1T1R写‘0’时，即分别对1T1R1中24进行reset（1T1R1写入‘0’），对1T1R2中29进行set（1T1R2写入‘1’），1T1R1中字线23接电压Vreset_wl，位线21接地线GND,源线22接电压Vreset，1T1R2中字线28接电压Vset_wl，位线26接电压Vset，源线27接地线GND。当对2-1T1R进行读取时，1T1R1和1T1R2中字线23和字线28均接电源电压VDD，位线21和26均接电压Vread,源线22和27均接地线GND，将位线21上的主存储单元电流和位线26上的参考单元电流送往基于电流模式的灵敏放大器，如果位线21上电流大于位线26上的电流，则读取存储值为“1”，反之，读取存储值为“0”。
表2
Figure BDA0000472130560000041
Figure BDA0000472130560000051
请参阅图3所示，图3给出了基于传统1T1R存储单元的一个存储阵列实例。该存储阵列实例包括主存储阵列314，参考单元阵列315，行译码313，列译码316，写驱动和读电路317。写操作时，例如对1T1R单元311写入‘1’，首先根据输入地址选择与311连接的位线321和源线322，并将321接电压Vset,将322接地线GND，然后根据输入地址选择与311连接的字线320，并将320接电压Vset_wl打开选择管，此时阻变单元有高阻态变为低阻态，完成写‘1’过程；如对1T1R单元311写入‘0’，首先根据输入地址选择与311连接的位线321和源线322，并将321接电线GND,将322接电压Vreset，然后根据输入地址选择与311连接的字线320，并将320接电压Vreset_wl打开选择管，此时阻变单元有低阻态变为高阻态，完成写‘0’过程；读操作时，例如对1T1R单元311进行读取，首先根据输入地址选择与主存储单元311连接的位线321和源线322，以及与参考单元312连接的位线323和源线324，并将321和323接电压Vread,将322和324接地线GND，然后根据输入地址选择与311和312连接的字线320，并将320接电源电压VDD打开选择管，位线321上的主存储单元电流和323上的参考单元电流被送往317中基于电流模式的灵敏放大器,如果位线321上的电流大于位线323上的电流，则读取存储值为“1”，反之，读取存储值为“0”。
请参阅图4所示，图4给出了基于2-1T1R存储单元的一个存储阵列实例。该存储阵列实例包括主存储阵列415，行译码414，列译码416，写驱动和读电路417。写操作时，例如对2-1T1R单元411写入‘1’，即对1T1R单元412写入‘1’，1T1R单元413写入‘0’，首先根据输入地址选择与412连接的位线420和源线421，以及与413连接的位线422和源线423，并将420接电压Vset,将421接地线GND，将422接电线GND,将421接电压Vset，然后根据输入地址选择与412和413连接的字线418和419，并将418接电压Vset_wl，将419接电压Vreset_wl，同时打开412和413的选择管，此时412的阻变单元由高阻态变为低阻态，完成写‘1’，413的阻变单元由低阻态变为高阻态，完成写‘0’，411完成写‘1’过程；如对411写入‘0’，即对412写入‘0’，413写入‘1’，首先根据输入地址选择与412连接的位线420和源线421，以及与413连接的位线422和源线423，并将420接电线GND,将421接电压Vreset，将422接电压Vset,将421接地线GND，然后根据输入地址选择与412和413连接的字线418和419，并将418接电压Vreset_wl，将419接电压Vset_wl，同时打开412和413的选择管，此时412的阻变单元由低阻态变为高阻态，完成写‘0’，413的阻变单元由高阻态变为低阻态，完成写‘1’，411完成写‘0’过程。读操作时，例如对411进行读取，首先根据输入地址选择与411中主存储单元412连接的位线420和源线421，以及与参考单元413连接的位线422和源线423，并将420和422接电压Vread,将421和423接地线GND，然后根据输入地址选择与411和412连接的字线418和419，并将418和419接电源电压VDD打开选择管，位线420上的主存储单元电流和422上的参考单元电流被送往417中基于电流模式的灵敏放大器,如果位线420上的电流大于位线422上的电流，则读取存储值为“1”，反之，读取存储值为“0”。
请参阅图5所示，图5给出了基于电流模式灵敏放大器的读取原理图。对2-1T1R存储单元515进行读取时，首先通过列选择信号528选中515中1T1R存储单元513和514,钳位电压527通过钳位管517和518将与513和514连接的位线523和524钳位至电压Vread，同时与513和514连接的源线525和526被接至地线GND，然后将字线529接至电源电压VDD,同时打开513和514的选择管，此时流经513和514的电流分别为主存储单元电流Icell和参考单元电流Iref,同时Icell和Iref分别为流经通路511和通路512的电流，因为Icell和Iref大小不同，所以分别通过PMOS521和522后在结点530和531产生大小不同的电压，结点530和531为灵敏放大器516的两个输入端，当结点530的电压小于结点531的电压时（Icell>Iref），516读出结果为‘1’，反之，516读出结果为‘0’。

Claims (2)

1.一种具有读取自参考功能的2-1T1R RRAM存储单元，其特征在于：包括两个1T1R RRAM存储单元，分别记为1T1R1和1T1R2，其中一个作为主存储单元，另一个作为参考存储单元；
所述1T1R RRAM存储单元包括一个阻变单元R和一个选择晶体管T，阻变单元R具有高阻态和低阻态两个状态，以实现‘0’和‘1’的写入；
主存储单元的阻变单元R与参考存储单元的阻变单元R保持相反的阻态；主存储单元的值即2-1T1R RRAM存储单元的值，参考存储单元为主存储单元产生读取参考电流。
2.如权利要求1所述的存储单元，其特征在于：
对2-1T1R RRAM存储单元写‘1’，则将主存储单元中的阻变单元R设置为低阻态，主存储单元中的字线接电压Vset_wl，位线接电压Vset,源线接地线GND；将参考存储单元中的阻变单元R设置为高阻态，参考存储单元中的字线接电压Vreset_wl，位线接地线GND,源线接电压Vreset；
对2-1T1R RRAM存储单元写‘0’，则将主存储单元中的阻变单元R设置为高阻态，主存储单元中的字线接电压Vreset_wl，位线接地线GND,源线接电压Vreset；将参考存储单元中的阻变单元R设置为低阻态，参考存储单元中的字线接电压Vset_wl，位线接电压Vset,源线接地线GND；
对2-1T1R RRAM存储单元进行读取，则主存储单元和参考存储单元中的字线均接电源电压VDD，位线均接电压Vread,源线均接地线GND，将主存储单元中的位线（21）上的电流和参考存储单元中的位线（26）上的电流送往基于电流模式的灵敏放大器，若主存储单元中的位线（21）上电流大于参考存储单元中的位线（26）上的电流，则读取存储值为“1”，反之，读取存储值为“0”。
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