CN114822640A - 用于电阻式随机存取存储器编程的电流和电压限制电路 - Google Patents

Abstract

电阻式随机存取存储器(ReRAM)的电阻元件由于例如在设置编程期间的高电场而易受故障风险的影响。当多个位元进行设置编程并且一些位元已到达其期望电阻水平而其它位元仍处于设置的进程中时，这尤其为一个问题。因此，ReRAM的电阻器设置编程电路包括电流限制电路、电流终止电路和电压限制电路。这些电路协同操作，以在设置编程时限制横穿ReRAM电阻器的所述电场，并且从而减少电阻丝的损坏风险，降低电力消耗并增加编程速度。

Description

用于电阻式随机存取存储器编程的电流和电压限制电路

技术领域

本发明整体涉及电阻式随机存取存储器(ReRAM)阵列，并且更特别地涉及在编程期间对在ReRAM单元的电阻器上所形成的电场的控制。

背景技术

电阻式随机存取存储器(ReRAM)在本领域为已知的，并且当编程电阻元件(也称为电阻器)或ReRAM单元时，存在特殊挑战。编程包括三种可能性，形成(ReRAM的电阻器从其原始状态的初始编程)，以及此后的设置和复位。这是因为尽管存在ReRAM的各种优点，但仍存在需克服的特定数据写入或编程挑战。现有技术已试图处理此类挑战，但成功是有限的。例如，Huang的标题为“用于以准恒定电压横穿电阻型存储器元件和其电路的自终止写入的方法(Method for Self-Terminated Writing with Quasi-Constant Voltage AcrossResistive-Type Memory Element and Circuit Thereof)”的美国专利10,692,575(下文简称'575专利)。由于未解决编程的全部问题(其它现有技术解决方案也未解决)，整体问题仍然存在。

根据'575专利所描述的方法，目的是实现横穿电阻型存储单元的恒定电压降。因此，根据其中所描述的方法以及在相关电路中，其产生了流动通过电阻式存储器单元的写入电压和写入电流，流经电阻式存储单元。根据该方法，其复制了写入电流来以与写入电流的预定比例生成复制写入电流。然后，其规定该复制写入电流流动通过虚拟电路以生成虚拟写入电压。然后，将虚拟写入电压和基准电压相加，从而生成基准写入电压。因此，在写入期间，虚拟写入电压略微并且按比例地增加。然后，该方法根据基准写入电压而调整写入电压和写入电流，使得横穿电阻式存储器单元的电压降在写入期间保持恒定或略微增加。然而，这未简单地防止编程电流失控，因为电压保持准恒定，同时ReRAM的电阻元件的电阻降低，并且从而导致增加电流。该增加电流源于较低电阻率，并且有可能导致电子流的缺陷，并且可由于过度加热而产生缺陷。这是因为在恒定电压下，热量与装置电阻成反比地增加。形成和设置的过渡涉及正反馈过程，其中随着电流增加，温度由于焦耳加热而增加，并且所以更多离子可移动，因而引起电流增加更多；为此，有必要通过一些外部手段来有效地限制最大流动电流以使正反馈停止，否则电流的增加将使细丝增长过多，并且温度的增加也可诱发材料的局部损坏。在任一种情况下(通过电阻器的增加电流或ReRAM电阻器上的增加电压)，现有技术解决方案为不充分的。随着技术特征尺寸减小，这种风险进一步增加，并且因此ReRAM单元的电阻丝的损坏风险增加。

由于'575专利以及其它现有技术解决方案未完全地或以其它方式成功地解决相关于ReRAM编程的所有问题，因此有利的是提供一种克服这些缺陷的解决方案。进一步有利的是提供这样一种解决方案，其将在编程期间有效地控制ReRAM的电阻元件上所形成的电场，以确保应用于ReRAM的电阻元件的电压和电流方面的快速、低功率和受控编程。

附图说明

本文所公开的主题在说明书结尾处的权利要求书中特别地指出并明确地要求。根据下述结合附图的具体实施方式，所公开实施例的前述目的和其它目的、特征和优点将为显而易见的。

图1根据一个实施例为用于对电阻式随机存取存储器(ReRAM)的电阻元件进行设置编程的电路的示意图；

图2根据一个实施例为用于利用运算放大器对ReRAM的电阻元件进行设置编程的电路的示意图；

图3根据一个实施例为用于对ReRAM的电阻元件进行设置编程的电路中的电流限制器的示意图；

图4根据一个实施例为用于使用电流传送器对ReRAM的电阻元件进行设置编程的电路中的电压限制电路的示意图；以及

图5根据一个实施例为用于对ReRAM的电阻元件进行设置编程的电路中的控制电路的示意图。

具体实施方式

在下文，示例性实施例将参考附图来详细地描述，以由具有本领域普通知识的人来容易地实现。示例性实施例可以各种形式来体现，而不限于本文所阐述的示范性实施例。为清晰起见，省略了公知部件的描述，并且相同附图标记在全文指代相同的元件。

需注意的是，本文所公开的实施例仅为本文创新教导的多个有利用途的实例。一般来说，本申请的说明书所做出的陈述非必然地限制各种权利要求的任一者。此外，一些陈述可适用于一些创造性特征，但不适用于其它特征。一般来说，除非另行指示，单数元件可为复数，反之亦然，而不失去一般性。术语编程在本文可指代对电阻器的原始状态的初始设置，也称为ReRAM电阻器的形成。其还可指代ReRAM电阻器的设置或复位(视情况而定)。下文的讨论是针对ReRAM电阻元件的形成编程或设置编程，然而，本领域的技术人员将理解，在不脱离本发明范围的情况下，电路可适于处理以及复位编程。

电阻式随机存取存储器(ReRAM)的电阻元件由于例如在设置编程期间的高电场而易受故障风险的影响。当多个位元进行编程并且一些位元已到达其期望电阻水平而其它位元仍处于设置的进程中时，这尤其为一个问题。因此，ReRAM的电阻编程电路包括电流限制电路、电流终止电路和电压限制电路。这些电路协同操作，以在设置编程时限制横穿ReRAM电阻器的电场，并且从而减少电阻丝的损坏风险，降低电力消耗并增加编程速度。

现在参考图1，图1示出了根据一个实施例的用于对电阻式随机存取存储器(ReRAM)的电阻元件110进行设置编程的电路100的示意图的实例。通过ReRAM单元(未示出)的电阻元件110的电流由电流限制器120进行电流限制。电流限制器设计成在设置编程期间限制流动通过电阻元件110的最大电流。电流限制器通常连接至电阻元件110的底部电极(BE)。电压限制电路130提供了电压输出端口Vout136，Vout136连接至电阻元件110的顶部电极(TE)并且将设置编程电压提供至电阻元件110。电压限制电路130可包括运算放大器(未示出)或电流传送器(未示出)，如本领域的技术人员将易于理解。电压限制电路130由可激活或停用电压限制电路130的启用输入134进行控制。电压限制电路130的另一个输入132提供了电压基准Vin。电压限制电路130的另一个输出提供了信号Cm 138，Cm 138与由电路130的Vout端口所消耗的电流成比例。控制电路140在输入144处接收Cm 138信号，并将其与在控制电路140的输入142处所提供的基准电流相比较。当144处的测量电流超出142处的基准电流时，电压限制电路禁用。技术人员现在将理解，电路100提供了协作操作的电流终止、电流限制和电压限制，以控制电阻元件110的设置编程，从而避免了现有技术解决方案常见的过度现象。也就是说，电流限制提供了对电阻元件110的过度设置的防止。限制电压水平对于电平设置编程为重要的。电流终止控制了电力消耗功耗，即减少了ReRAM在编程时的电力消耗，并且进一步提供了额外耐久性，因为电阻元件110的过度应力得以避免。在一个实施例中，电流限制器120还包括启用信号端口(未示出)，该启用信号端口允许控制电路140的启用输出以启用电流限制器120的操作。

图2根据一个实施例为用于利用运算放大器220对电阻式随机存取存储器(ReRAM)的电阻元件进行设置编程的电路200的示意图的实例。运算放大器(op-amp)220的输出连接至ReRAM单元的电阻元件110的TE，并且电流限制器120连接至电阻元件110的BE。电流限制器120允许穿过其的电流随着电阻元件110的电阻降低而增加，同时防止其超出预定阈值电流。电流测量通过由电流测量电路210测量运算放大器220供应给元件110的电流来完成的。电流测量电路210在输入144处将信号138提供至控制电路140。当测量结果超出在控制电路140的输入142处所提供的电流基准值时，运算放大器220被禁用并且编程停止。运算放大器220在运算放大器220的输出136处反映132处的输入电压。因此，电流限制由电流限制器120来提供，电压限制由运算放大器220来提供，并且电流终止由电流测量电路210和控制电路140来提供，电流测量电路210和控制电路140在电流超出基准电流时终止了设置编程操作。技术人员将容易地理解，在一个实施例中，电流测量可通过将电流测量电路连接至电阻元件110的BE并且进一步连接电流限制电路120而非如图2所示的电流测量电路来进行。这些变化应视为未超出本发明的范围。如上所述，电路200的某些配置可使用电流传送器(未示出)，而非运算放大器220。

因此，由电阻元件110的细丝形成的电场必须得到控制，因为不期望的是细丝太厚或过热，过热的原因是因为电流超出电流水平和流动通过电阻元件110的细丝的电流时间量两者的限制。在设置编程期间，电压保持恒定，并且电阻减小。因此，热量以V2/R的比例急剧地增加。当存在电流限制电路120时具有电流终止电路的原因(反之亦然)在于，终止相比于电流限制耗用更长时间。较长延迟是由于电流传感器的固有延迟，因为它必须感测电流，做出决定，并且然后停用启用信号134以触发终止。由于反馈过程为非必需的，电流限制响应时间为显著较快的。由于可彼此显著不同的ReRAM单元的不同电阻元件110的分布，电流终止电路为必需的。一些单元的时间可改变，该时间相比于其它ReRAM单元的最快电阻元件为2至3倍长的。即使电流限制为有效的，但是观察到细丝的损坏。因此，通过实施电流终止电路，电流停止流动，从而节省了电力，以及通过避免穿过电阻元件110的电流的持续供应而增强耐用性。因此，本文所提供的电路防止了源于流动通过细丝的过量电流的损坏，并且电阻元件110的TE和BE之间的过量电场势降的减小。此外，由于电路200在设置编程时的操作，当施加于存储器阵列的多个ReRAM单元时，每位元的平均设置编程电流消耗得以减少。

图3根据一个实施例为用于对ReRAM的电阻元件进行设置编程的电路中的电流限制器120的实例示意图。本文所示的电流限制器120使用建模为理想电流源的基准电流310，该基准电流310在接收激活了N-FET 330的启用信号360时镜像至输出。电流镜像(包括N-FET 320和N-FET 340)具有有限输出电阻，并且当ReRAM处于高电阻状态(HRS)时，其具有有限效果。大部分的电压降处于ReRAM上。当RERAM过渡至低电阻状态(LRS)时，电流受限制，因为电流镜像通过晶体管VDS的自然增加而停止了电流使得电流受限，从而减少ReRAM电阻其上的电压降。需注意，启用信号360可从由控制电路140所提供的启用信号134来提供。端口350连接至ReRAM电阻器110的BE。技术人员将容易地理解，这为此类电流限制器120的实例，并且不应视为对于本发明范围的限制。

图4根据一个实施例为用于使用电流传送器对ReRAM的电阻元件进行设置编程的电路中的电压限制电路130的实例示意图。技术人员将容易地理解，这为此类电流传送器的实例，并且不应视为对于本发明范围的限制。本质上，电阻器440产生了电流偏置(432，440，424)，该电流偏置镜射至电流镜像(434)。426和428各自具有大致VT压降，从而使Vin 132和Vout136非常相似。电流镜像给出了132端口相对于136端口的高阻抗，因此充当电压捕捉器，并且Vout为良好电流捕捉器并可跟随Vin 132电压。然后，Vout的电流由P-FET 436进行测量并由P-FET 438进行镜像以向Cm 138提供电流以用于终止。Cm 138提供了由电路100所使用的电流测量反馈。技术人员将容易地理解，这为此类控制电路140的实例，并且不应视为对于本发明范围的限制。如图4所示，启用信号134在馈送至N-MOS 422之前由两个反相器进行缓存。N-MOS 422和P-MOS 439作用为由启用信号134所控制的开关。在另一个实例实施例中，在不脱离本发明的范围情况下，省略了反相器412和414，并且启用信号134直接地连接至反相器416的输入以及N-MOS 422。

图5根据一个实施例为用于对ReRAM的电阻元件进行设置编程的电路中的控制电路140的实例示意图。比较器510在端口142处接收电流基准，并且在端口144处从电压限制电路130接收Cm 138。控制电路140得到至SR-FF 520的“S”端口146的“1”的脉冲，并启用了内部比较器510和电压限制电路130。当单元电流高于基准电流时，比较器从“0”切换至“1”，从而引起比较器510和电压限制电路130两者关闭。因此，根据一个实施例，用于ReRAM的电阻器的设置编程电路包括以下电路。第一，ReRAM电阻器编程电流限制电路；第二，ReRAM电阻元件(也可称为电阻器)编程电流终止电路。第三，ReRAM电阻元件编程电压限制电路。这些电路操作以确保ReRAM电阻元件上的最大电场由编程电路来控制。此外，电流限制电路、电流终止电路和电压限制电路被设计成协同操作。编程电路的一个实施例可采用运算放大器。编程电路的另一个实施例可采用电流传送器。技术人员将理解，虽然本文所讨论的电路用于设置操作，但是将可能的是调整这些电路，使得它们将适用于ReRAM电阻器的复位操作而不脱离本发明的范围。这将需要切换ReRAM电阻器110的TE和BE之间的操作。这可通过电流分流电路或通过应用逻辑反转来实现。在另一个实施例中，包括ReRAM单元阵列(未示出)的非易失性存储器具有一个或多个控制电路100，以用于根据本文所公开原理对该阵列的ReRAM单元的电阻元件进行设置编程。可需要某些切换和控制电路(均未示出)以实现此类ReRAM阵列内的一个或多个控制电路100的最佳数量。技术人员容易地理解，在不脱离本发明范围的情况下，本文所述的本发明可适用于各种ReRAM实施方式，包括但不限于1T1R、2T1R、2T2R和crossbar的类似方案。

本文所叙述的所有实例和条件性语言旨在出于教学目的，以帮助读者理解所公开实施例的原理和发明人为推动本领域发展所贡献的理念，并应解释为不限于此类具体叙述实例和条件。此外，本文叙述所公开实施例的原理、方面和实施方式以及其具体实例的所有陈述旨在涵盖其结构和功能等同物。此外，据预期，此类等同物包括当前已知等同物以及未来开发等同物，即执行相同功能的已开发任何元件，而不考虑结构。

Claims (13)

1.一种用于电阻式随机存取存储器(ReRAM)的电阻器的编程电路，所述编程电路包括：

ReRAM电阻器编程电流限制电路；

ReRAM电阻器编程电流终止电路；以及

ReRAM电阻器编程电压限制电路；

其中所述电流限制电路、所述电流终止电路和所述电压限制电路协同操作。

2.根据权利要求1所述的编程电路，其中所述ReRAM电阻器上的至少一最大电场由所述编程电路进行控制。

3.根据权利要求1所述的编程电路，其中所述电流限制电路、所述电流终止电路和所述电压限制电路的至少一者包括运算放大器。

4.根据权利要求1所述的编程电路，其中所述电流限制电路、所述电流终止电路和所述电压限制电路的至少一者包括电流传送器。

5.根据权利要求1所述的编程电路，其中通过所述ReRAM电阻器的至少最大电流由所述ReRAM电阻器编程电流限制电路进行限制。

6.根据权利要求1所述的编程电路，其中编程涉及以下项的至少一者：形成、设置编程、复位编程。

7.根据权利要求1所述的编程电路，其中所述编程电路连接至ReRAM单元阵列的多个ReRAM单元的至少一ReRAM单元。

8.一种非易失性存储器，包括：

电阻式随机存取存储器(ReRAM)的阵列，所述阵列包括多个ReRAM单元，其中每个ReRAM单元包括至少一ReRAM电阻器；和

至少一编程电路，所述至少一编程电路联接到至少一ReRAM电阻器，所述编程电路包括：ReRAM电阻器编程电流限制电路、ReRAM电阻器编程电流终止电路和ReRAM电阻器编程电压限制电路；其中所述电流限制电路、所述电流终止电路和所述电压限制电路协同操作。

9.根据权利要求8所述的非易失性存储器，其中在所述ReRAM电阻上的至少一最大电场由所述编程电路进行控制。

10.根据权利要求8所述的非易失性存储器，其中所述电流限制电路、所述电流终止电路和所述电压限制电路的至少一者包括运算放大器。

11.根据权利要求8所述的非易失性存储器，其中所述电流限制电路、所述电流终止电路和所述电压限制电路的至少一者包括电流传送器。

12.根据权利要求8所述的非易失性存储器，其中通过所述ReRAM电阻器的至少一最大电流由所述ReRAM电阻器编程电流限制电路进行限制。

13.根据权利要求8所述的非易失性存储器，其中编程涉及以下至少一者：形成、设置编程、复位编程。

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