CN110827897B - 忆阻器的防过写电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种忆阻器防过写电路及方法，其中该电路包括信号控制模块，其用于采集忆阻器写回路电流并生成回路关断信号，回路关断信号对忆阻器回路的字线晶体管或设置的可控开关或写电压输入的选择器进行电压切换控制关断；在方法上主要包括如下步骤：采集忆阻器存储单元的写回路电流信号；依据写回路电流信号生成支路关断信号；依据支路关断信号实现写支路的断开。按照本发明实现的防过写电路和方法，解决了忆阻器写操作中存在的大电流与过操作带来的电阻随机涨落问题。

Description

忆阻器的防过写电路及方法

技术领域

本发明属于忆阻器读写领域，更具体地，涉及一种忆阻器的防过写电路及防过写方法。

背景技术

以忆阻材料为基底的存储器，例如以HfOx为基底的材料或类似的材料，施加适当的电压，忆阻材料会在高阻、低阻或多阻之间进行转换。其中低阻态是导电通路形成的状态，具有低阻值，相反高阻态则是导电通路断开的状态，具有高阻值，以此阻值状态得变化实现数据存储。

忆阻器操作需要依据逻辑控制在多种大小的电压下选择相应合适的操作电压，但是当set操作成功后，忆阻器置于低阻状态，此时如果set电压继续施加在忆阻器存储单元上，则将在该操作对应的通路产生大电流，从而带来大功耗。另一方面，如果set电压持续存在，set电压回路持续导通将继续对忆阻器实行set操作，忆阻器存储单元将set到更低的电阻，从而产生更大电流，增加reset的难度，此时会出现过set操作。同理reset操作也存在过reset得操作，电阻将持续减小，增加set难度。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种忆阻器的防过写电路，用于解决忆阻器写操作中存在的大电流与过操作带来的问题。

为实现上述目的，按照本发明，提供一种忆阻器的防过写电路，其特征在于，该电路包括信号控制模块，其用于采集忆阻器写回路电流并生成回路关断信号，所述回路关断信号对忆阻器回路的字线晶体管关断或回路中设置的可控开关关断或写电压输入的选择器进行电压切换控制关断，以此方式实现防过写。

进一步地，所述回路关断信号为模拟信号或逻辑数字信号。

进一步地，所述忆阻器写回路包括与忆阻器存储单元写电压端电连接的电压跟随电路；所述电压跟随电路电连接所述信号控制模块，所述电压跟随电路具有可依据所述回路关断信号控制切换写电压及写回路断开电压的多个输入端的电压选择器。

进一步地，所述防过写电路还包括有用于对所述字线晶体管进行限流电流输入的第一选择器，所述第一选择器包括有可依据所述回路关断信号控制切换限流电压及所述字线晶体管关断电压的多个输入端。

进一步地，所述信号控制模块，包括电流电压转化电路，电流反馈模块，其中所述电流电压转化电路将所述回路支路中的电流信号转化为电压信号，所述电流反馈模块将所述电压信号转化为所述回路关断信号。

进一步地，所述电压跟随电路的所述电压选择器输入一端接入所述写电压，所述电压选择器另外输入一端接放大器，所述放大器的另外一输入端接入所述选择电压，所述放大器输出端连接反馈管，所述电压选择器也接入反馈管以此形成写电压的稳定电压跟随回路。

进一步地，所述电流反馈模块将所述采集的写回路电压进行电压转换直接实现所述字线晶体管关断或回路中设置的可控开关关断或写电压输入的选择器进行电压切换控制关断，或包括有多个比较器，将所述采集的写回路电压与所述多个比较器的参考电压比较从而形成所述逻辑数字信号实现所述字线晶体管关断或回路中设置的可控开关关断或写电压输入的选择器进行电压切换控制关断。

本发明还公开了一种忆阻器的防过写方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

采集忆阻器存储单元的写回路电流信号

依据写回路电流信号生成支路关断信号

依据支路关断信号实现写支路的断开。

进一步地，通过关断写回路中的所述字线晶体管的导通的方式实现支路的断开。

进一步地，通过关断设置于写回路的可控开关的方式实现支路的断开。。

进一步地，通过关断施加于忆阻器存储单元的写电压输入的方式实现支路的断开。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明提出了一种忆阻器的防过操作的电路和方法，通过产生控制信号的方式对写回路进行断开的方式实现；

(2)本发明中利用选择器对字线晶体管进行限流电压的输入，并充分利用字线晶体管的导通性能，利用控制信号对输入字线晶体管的电压进行输入控制，从而控制字线晶体管的栅极电压的方式实现过些回路的关断，以此方式避免过写操作；

(3)本发明对写电压设计了电压跟随电路，同时电压跟随电路中也具备有电压选择器，在此基础之上，利用控制信号对电压选择器进行控制也可实现写回路的断开，优化了写模块，且解决了忆阻器由于过操作带来的电阻随机涨落造成读出错误的问题。

附图说明

图1为按照本发明实现的忆阻器读写电路所应用的存储单元示意图；

图2为按照本发明实现的忆阻器读写电路所应用的存储单元所对应的存储构架示意图；

图3为按照本发明实现的忆阻器读写电路的防过写电路的实施例之一的框图示意图；

图4为按照本发明实现的忆阻器读写电路的防过写电路的实施例之二的框图示意图；

图5为按照本发明实现的忆阻器读写电路的防过写电路的实施例之三的框图示意图；

图6为按照本发明实现的双极型忆阻器的防过写电路对应的具体结构组成示意图；

图7为按照本发明实现的电流反馈模块的其中一种实施方式的具体电路结构示意图。

11：1T1R结构中的忆阻器单元 12：存储阵列中的位线选择晶体管 13：1T1R结构中的字线晶体管 4：第一选择器 14：可控开关

111：忆阻器上电极(TiN) 110：忆阻器功能层(HfOx) 112：忆阻器下电极(TiN)132：1T1R结构中的晶体管源极

21：第一电压跟随电路 22：第二电压跟随电路 31：第一信号控制模块 32：第二信号控制模块

211：第一放大器 212：第一电压选择器(set端2选1) 213：第一MOS反馈管(PMOS晶体管) 223：第二MOS反馈管(PMOS晶体管)

221：第二放大器 222：第二电压选择器(reset端2选1)

312：第一电流转化电路(set端二极管连接PMOS晶体管)

322：第二电流转化电路(reset端二极管连接PMOS晶体管)

311：第一电流反馈模块(set端) 321：第二电流反馈模块(reset端)

具体实施方式

图1为按照本发明实现的忆阻器读写电路所应用的存储单元，其结构包含三个部分，上电极111，功能层110，下电极112，是一种典型的三明治结构，上电极和下电极的电极材料可以为Ti，Ta，TiN，TaN，功能层材料可以为HfOx。

在本发明所涉及的一种具体实施方式中，忆阻存储单元的上电极111材料为TiN，功能层110材料为HfOx，下电极112材料为Ti。

图2为按照本发明实现的忆阻器读写电路所应用的存储单元所对应的基础存储构架示意图，为传统的1T1R构架，即1个晶体管1个忆阻器单元。其中字线晶体管13的栅极接字线控制信号，漏极接忆阻器的下电极，上电极111接位选择晶体管漏极。

当然本发明的读写电路的适用范围并不限定为双极型存储结构的实施例，电极及功能层材料也并不严格限定，本发明涉及的防过写电路及方法的设计主要是针对施加读写电压的忆阻器的读写电路及读写方法。

按照本发明的忆阻器防过写电路及操作方法，主要涉及的解决问题的构思包括如下三个方面：第一方面是通过忆阻器的回路电流判断是否出现了过写的现象，过写的存在会给回路造成大电流的现象，第二方面是由过写的信号如何生成反馈信号规避过写存在的问题，第三方面是利用过写的信息生成反馈对忆阻器的回路实现关断从而达到防止过写的技术效果。

基于上述思路，本发明的忆阻器防过写电路主要包括如下连接结构，包括信号控制模块，其用于采集忆阻器回路电流并生成关断信号，关断信号对忆阻器回路的字线晶体管13或可控开关元件14或回路设置的其它电路模块实现关断从而使写操作停止，同样关断信号可以对写电压输入的选择器进行控制，从而在输入源方面实现写信号的关断。

图3至图5为按照本发明实现的忆阻器读写电路的防过写电路的其中一种实施方式的框图示意图，在以下的实施方式中，主要是以双极型的忆阻器存储单元作为示例来展示本发明的重要技术方案，但是在实际的应用中，本发明所涉及的防过写电路及方法也适用于单极型的忆阻器存储单元，双极型忆阻器的电路设置为单极型忆阻器电路设置的对称电路结构形式。

实施例1

本发明实现的防过写电路，包括与字线晶体管13的栅极电连接的第一选择器4，与存储单元1上电极连接的第一电压跟随电路21及与第一电压跟随电路21电连接的第一信号控制模块31；与字线晶体管13源极电连接的第二电压跟随电路22及与第二电压跟随电路22电连接的第二信号控制模块32；

其中第一选择器4除了有进行SET与RESET电压选择的控制信号端，还包括有来自于第一信号控制模块31以及与第二信号控制模块32的控制信号端，这两个控制信号端在发生过写操作的情况下，会控制第一选择器4的写操作电压断开。

其中第一电压跟随电路21及第二电压跟随电路22在进行两极的写电压操作的过程中，保持稳定的写电压施加。

其中第一电压跟随电路21的输入接V_set电压，第一电压跟随电路21的输出接与存储单元1的上电极相连，同时第一电压跟随电路21的输出端还与第一控制信号模块31相连，第一控制信号模块31的输出端与第一选择器4相连。

其中第二电压跟随电路22的输入接V_reset电压，第二电压跟随电路22的输出接与最大电流控制模块3的源极相连，同时第二电压跟随电路22的输出端还与第二控制信号模块32相连，第二控制信号模块32的输出端与第一选择器4相连。

其中，按照上述电路架构的实现，第一层面利用两极的电压跟随电路的设置，保持电压稳定性并且不随忆组器阻值的改变而发生漂移改变，使得第一电压跟随电路21(或第二电压跟随电路22)的输出电压能够稳定输出V_set(或V_reset)电压；第二层面是将两极的电压反馈后生成控制信号，通过第一信号控制模块31、第二信号控制模块32的设置，通过上述控制信号来控制第一选择器4来关断字线晶体管13，从而使得写支路断开，以达到写限流和防过写的目的。

实施例2

如图4中所示，是按照本发明的另外一种实施方式所对应的防过写电路，此实，与第一种实施方式中的显著区别来看，主要是第一控制信号模块31及第二控制信号模块32所产生的控制电压，具体是用来控制存储单元11回路的其它元件的关断，从而使得写支路断开，以达到写限流和防过写的目的，在本实施方式中，由于第一电压跟随电路21和第二电压跟随电路22其中有关于回路关断的电压选择器件，同样也可控制上述两个部件使得支路断开，以达到写限流和防过写的技术效果。

实施例3

如图5中所示，是按照本发明实现的另外一种实施方式中所对应的防过写电路，此时，在支路中另外设置可控开关14，使得第一控制信号模块31或者是第二控制信号模块32所产生的控制信号能够实现支路的断开，从而达到写限流和防过写的技术效果。

进一步地，在上述的实施方式中，作为本发明的进一步的特征，在忆阻器的写入端都设置了电压跟随电路，主要是使得保持电压稳定性并且不随忆组器阻值的改变而发生漂移改变，具体来说：

如图6中所示，进一步地，第一电压跟随电路21，包括第一放大器211，第一MOS反馈管213及第一电压选择器212，其中第一放大器211的输入一端接V_set输入电压，第一放大器211的输出端接第一MOS反馈管213的栅极，其中，第一放大器211的另外一个输入端与接地信号作为第一电压选择器212的电压选择端，第一电压选择器212的输出端接忆阻器单元的上电极，其中第一电压选择器212的输出端还接第一MOS反馈管213的漏极，第一MOS反馈管213的漏极接忆阻器单元的上电极。

进一步地，第二电压跟随电路22，包括第二放大器221，第二MOS反馈管223及第二电压选择器222。其中第二放大器221的输入一端接V_reset输入电压，第二放大器221的输出端接第二MOS反馈管223的栅极，其中，第二放大器221的另外一个输入端与接地信号作为第二电压选择器222的电压选择端，第二电压选择器222的输出端接字线晶体管13的源极，其中第二电压选择器222的输出端还接第二MOS反馈管223的源极，第二MOS反馈管223的源极接字线晶体管13的源极。

作为本发明的其中重要的部分，即关断信号的产生，结合以上实施例中的控制不同部件的控制方法，皆存在有模拟信号控制和数字信号控制两种不同的控制方法，即第一方面，是通过模拟电路的方式将采集转化的电压信号不经过数字逻辑的转化直接进行高低电平的模拟式转化从而实现导通或关断的操作，第二方面，是通过模拟信号转化为逻辑数字信号组合的控制方式来实现关断操作。

作为实施例1所对应的具体电路结构，作为其中一种数字控制方法的实施例，进一步地，第一信号控制模块31，包括第一电流电压转化电路312，第一电流反馈模块311，其中第一电流转化电路312输入端接第一MOS反馈管213的源极，输出端方面接下一级的第一电流反馈模块311，第一电流反馈模块的输出端接第一选择器4的控制端。第一电流转化电路312的其中一种实施方式为二极管连接PMOS晶体管。

进一步地，第二信号控制模块32，包括第二电流电压转化电路322，第二电流反馈模块321，其中第二电流转化电路322输入端接第二MOS反馈管223的漏极，输出端方面接下一级的第二电流反馈模块321，第二电流反馈模块321的输出端接第一选择器4的控制端。第二电流反馈模块321的其中一种实施方式为二极管连接PMOS晶体管。

同样的，作为一种以数字逻辑信号来实现关断的操作方式，进一步地，如图7中所示，是按照本发明的其中一种实施方式中的电流反馈模块的具体电路结构示意图，其中第一、第二电流反馈模块311、321包括有三个比较器，这三个比较器的电压第一端输入都为读出的电压，第二端输入为参考电压，其中，在一个优选的实施方式中，比较电压分别为高阻电压、低阻电压和中间电压这三个电压参数，从而依据比较器的三个输出来进行逻辑的判断，从而获取相应的控制信号。

进一步地，其中电流反馈模块为多个比较器组成，电流反馈模块的工作原理是依据读电路采集的读电压信号来生成一个控制信号，这个控制信号能够实现过写支路的断开，比较器可以设置为多个，与多个参考电压信号进行比较，实现更为精准并且位数复杂的逻辑控制信号。

另外，本发明还提出了忆阻器防过写的方法，其中上述方法包括如下步骤：

STEP1：采集忆阻器存储单元的写回路电流信号

STEP2：依据写回路电流信号生成支路关断信号

STEP3：依据支路关断信号实现写支路的断开。

其中，上述STEP3中，主要包括有如下方法的具体操作：

第一种实施方式，通过关断字线晶体管13的栅极电压的方式实现支路的断开；

第二种实施方式，通过关断施加于存储单元的源电流输入的方式实现支路的断开；

第三种实施方式，通过关断设置于支路的另外设置的可控开关14的方式实现支路的断开。

进一步地，具体来说，结合了电压跟随电路的设置方式，实现源写电流的断开主要是通过对第一电压选择器212及第二电压选择器222的写电压输入的源选择切换来实现关断。

如图6中所示，按照本发明实现的双极型忆阻器的防过写电路的实施例1所对应的具体结构组成，下面将从Set，Reset两个操作实施方式的具体工作过程进一步对上述防过写的方法进行说明：

(1)Set操作过程，第一放大器211做跟随器，通过第一电压选择器212在存储单元1上端施加跟随电压V_set；而第二电压选择器222选择接地输入，将字线晶体管13的源极132接地。

选择控制信号将选择Vw_set电压作用于字线晶体管13的栅极，此时存储单元11支路将开通，ΔVset将作用于存储单元11，同时产生支路电流，在set端二极管312上产生反馈电压。首先作用在字线晶体管13的栅极电压是根据操作变化的。即通过字线晶体管13的Vgs将支路最大电流控制到一定的值。另外，当set成功后，存储单元将置于低阻，此时支路电流增大，set端二极管312连接的PMOS电压减小，则电流反馈模块311将反馈信号给第一电压选择器212将字线电压选到0，从而关闭字线晶体管13，从而将支路断开，set操作停止，达到防止过set操作。

(2)Reset操作过程，第二放大器221做跟随器，通过第二电压选择器222在字线晶体管13源极跟随电压V_reset；而第二电压选择器222选择接地，将存储单元上端接地。第一选择器4选择Vw_reset电压作用于字线晶体管13栅极。此时存储单元支路将开通，-ΔVreset将作用于存储单元，同时产生支路电流，在reset端二极管322上产生反馈电压。

作用在字线晶体管13的栅极电压是根据操作变化的，即通过字线晶体管13的Vgs将支路最大电流控制到一定的值，当reset成功后，存储单元将置于高阻，此时支路电流减小，reset端二极管213连接的PMOS电压增大，则电流反馈模块321将反馈信号给第一选择器4将字线电压选到0，从而关闭字线晶体管13，从而将支路断开，reset操作停止，达到防止过reset操作。

值得注意的是，上述实施案例只是举出具体的实施方式，尤其是本发明的具体实施方式主要是以双极型忆阻器作为示例说明，但是对于单极型的忆阻器而言，采用对称电路结构的其中一部分即可。

上述实施方式中明确限定反馈管为PMOS，但这并不严格限定，依据在电路中的导通方式选择不同的MOS管，针对极的导通连接进行改型选择即可。

上述实施方式中明确限定最大电流控制模块为字线选择晶体管NMOS，但这并不限定，依据在电路中的导通方式选择不同的MOS管或者模块。

上述实施方式中明确限定电流电压转化电路为二极管，但这并不限定，依据其它的电流转电压的电路方式也可实现该模块功能。

另外，作为本发明中的产生控制信号的电流反馈电路，其具体设置方式可以为本领域技术人员熟知电路结构形式的若干比较器，主要是实现实际读出信号与可以是多个或单个的参考信号进行逻辑选择形成控制信号。

对于不同的双极性存储单元，高阻和低阻的设置对应写、擦、读等各种操作所施加的正反向电压及对应的读写电路设置，可依据存储单元材料性质设置具体的SET\RESET电流端。

按照本发明实现的读写电路，需要由控制器进行各类控制信号的产生实现存储单元阵列的选择及读写控制，该控制器设置为本领域技术人员的常规设置，另外，选择器、电压比较器电路结构也为现有技术能够获得的芯片、电路等产品，在此不再赘述其具体结构形式。

综上所述，该发明专利涉及一种读写限流与防止过操作的电路，主要通过字线晶体管限流，反馈模块防止过操作。大大优化了忆阻器的写模块，且阻止了忆阻器由于过操作带来的电阻随机涨落现象。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种忆阻器的防过写电路，其特征在于，该电路包括信号控制模块，其用于采集忆阻器写回路电流并生成回路关断信号，所述回路关断信号以写电压输入的选择器(212，222)进行电压切换控制关断，以此方式实现防过写；所述忆阻器写回路包括与忆阻器存储单元写电压端电连接的电压跟随电路(21，22)；所述电压跟随电路(21，22)电连接所述信号控制模块(31，32)，所述电压跟随电路(21，22)具有可依据所述回路关断信号控制切换写电压及写回路断开电压的多个输入端的电压选择器。

2.如权利要求1中所述的防过写电路，其特征在于，所述回路关断信号为模拟信号或逻辑数字信号。

3.如权利要求1中所述的防过写电路，其特征在于，所述防过写电路还包括有用于对字线晶体管(13)进行限流输入的第一选择器(4)，所述第一选择器(4)包括有可依据所述回路关断信号控制切换限流电压及所述字线晶体管(13)关断电压的多个输入端。

4.如权利要求3所述的防过写电路，其特征在于，所述信号控制模块(31，32)，包括电流电压转化电路(312，322)，电流反馈模块(311，321)，其中所述电流电压转化电路(312，322)将回路支路中的电流信号转化为电压信号，所述电流反馈模块(311，321)将所述电压信号转化为所述回路关断信号。

5.如权利要求4所述的防过写电路，其特征在于，所述电压跟随电路(21，22)的所述电压选择器输入一端接入所述写电压，所述电压选择器另外输入一端接放大器，所述放大器的另外一输入端接入选择电压，所述放大器输出端连接反馈管，所述电压选择器也接入反馈管以此形成写电压的稳定电压跟随回路。

6.如权利要求5所述的防过写电路，其特征在于，所述电流反馈模块(311、321)将采集的写回路电压进行电压转换直接实现所述字线晶体管(13)关断或回路中设置的可控开关(14)关断或写电压输入的选择器(212，222)进行电压切换控制关断，或包括有多个比较器，将所述采集的写回路电压与所述多个比较器的参考电压比较从而形成逻辑数字信号实现所述字线晶体管(13)关断或回路中设置的可控开关(14)关断或写电压输入的选择器(212，222)进行电压切换控制关断。

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