阻变施密特触发器和比较器的制造方法

阻变施密特触发器和比较器的制造方法
【专利摘要】一种阻变元件，其能够用在非易失性数字施密特触发器电路或比较器电路中。施密特触发器电路可以包括阻变电路和重置电路。阻变电路可以提供适合于施密特触发器操作的迟滞行为。重置电路可操作地将阻变电路重置至高电阻状态。比较器电路可包括阻变电路、重置电路和阈值设置电路。阻变电路可包括阻变元件，并且可操作地提供将输入电压与阻变元件的设置或设置阈值电压进行比较的信号。阈值设置电路可操作地修改阻变元件的设置或重置阈值，从而有效地改变用于比较器电路的参考电压。
【专利说明】
阻变施密特触发器和比较器
技术领域
[0001] 本发明一般涉及阻变元件，尤其涉及用于形成具有阻变元件的逻辑电路的方法， 以及由该方法产生的电路。
【背景技术】
[0002] 施密特触发器是有迟滞的比较器电路。电路的名称为"触发器"，因为输出保持其 值直到输入上升通过阈值电压，触发改变为止。电路是迟滞电路，因为它使用负反馈来阻止 转换回去直到输入通过较低的阈值电压为止。
[0003] 施密特触发器装置能够用在开环配置中以将噪音从数字电路中使用的信号移除， 例如，以消除由机械开关弹跳引起的信号噪音。闭环配置也可以使用施密特触发器装置，例 如在函数发生器和开关电源中使用的振荡器。
[0004] 施密特触发器可以是非反相的或反相的。在非反相施密特触发器中，当输入增加 超过阈值电压时，输出转变成较高的值。在反相施密特触发器中，当输入增加超过阈值电压 时，输出转变成较低的值。
[0005] 图1A-图1B说明了现有技术的非反相施密特触发器电路的示意行为。图1A示出了 施密特触发器电路100,施密特触发器电路100包括运算放大器110和电阻器R1和R2。由这些 电阻器提供的正反馈产生迟滞，迟滞由R1和R2之间的比例控制。由于运算放大器110具有不 同的输入，因此反相输入被接地以使参考点为零伏特。
[0006] 图1B示出了非反相施密特触发器电路100的响应函数，其示出了作为输入电压Vin 的函数的输出电压Vout。当输入电压Vin高于高阈值T或低于低阈值-T时，输出电压具有与 电路输入电压相同的符号，例如，输出电压分别为Μ或-M。当电路输入电压在阈值-T和T之间 时，输出电压Vout取决于上次状态，例如，如果之前Vin>T，那么Vout为Μ，并且如果之前Vin 〈-T，那么Vout为-Μ。对于反相施密特触发器，行为是相反的。
[0007] 比较器电路可以比较两个输入电压或电流并且输出指示哪个更大的数字信号。因 此，比较器电路可包括两个模拟输入(例如，Vin和Vref)，和一个二进制数字输出Vout。如果 Vin大于Vref，那么Vout是正的。如果Vin小于Vref，那么Vout为零。比较器电路能够用在模 拟数字转换器(ADCs)和振荡器中。
[0008] 图9A-图9B说明了现有技术的比较器电路的示意行为。图9A示出了比较器电路 900,比较器电路900包括运算放大器910和可选电阻器R。运算放大器910的差分输入能够用 来提供输入电压Vin和参考电压Vref之间的比较。
[0009] 图9B示出了比较器电路900的响应函数，其示出了作为输入电压Vin的函数的输出 电压Vout。当输入电压Vin大于参考电压Vref时，输出电压为M。当电路输入电压小于参考电 压Vref时，输出电压Vout为零。
[0010] 使用基于晶体管的逻辑器件实施的施密特触发器电路和比较器电路可能会有与 晶体管装置相关的问题。因此，需要能够满足先进装置的设计标准的施密特触发器电路和 比较器电路。

【发明内容】

[0011] 在一些实施例中，提供了用于形成施密特触发器电路的方法和电路。施密特触发 器电路可包括阻变元件，阻变元件的电阻可以具有类似于施密特触发器的非易失性迟滞行 为的非易失性迟滞行为。例如，当输入电压增加和降低时，阻变元件的电阻可以被设置和重 置。
[0012] 在一些实施例中，施密特触发器电路可以包括阻变电路和变换器电路。阻变电路 可以包括阻变元件和电流控制装置。电流控制装置能够用来控制通过阻变元件的电流。输 入电压可以施加到阻变元件的一个端子以生成电阻迟滞曲线。可以从阻变元件的另一端子 生成输出电压，从而将电阻迟滞曲线变换成电压迟滞曲线。
[0013] 在一些实施例中，变换器电路可操作地将阻变元件的值变换成希望的输出信号。 例如，变换器电路可以包括电流源，电流源能够经过阻变元件以生成与阻变元件的电阻相 对应的输出电压。
[0014] 在一些实施例中，可以包括可选的切换电路以在阻变电路和变换器电路之间转换 对阻变元件的控制。
[0015] 在一些实施例中，提供了用于基于设置操作形成比较器电路的方法和电路。比较 器电路可以包括阻变元件，当被施加的电压(例如输入电压）的幅值大于设置阈值电压(例 如能够使阻变元件的电阻转变成低状态的电压）的幅值时，阻变元件能够改变电阻。例如， 当输入电压(被施加到阻变元件的电压)大于参考电压(阻变元件的设置阈值电压)时，阻变 元件的电阻可以改变至低值。
[0016] 在一些实施例中，比较器电路可以包括阻变电路、重置电路和阈值设置电路。阻变 电路可以包括阻变元件和电流控制装置。电流控制装置能够用来控制通过阻变元件的电 流。输入电压可以被施加到阻变元件的一个端子以生成阻变特性。可以从阻变元件的另一 端子生成输出电压，从而将阻变行为曲线转变成电压转变曲线。
[0017] 在一些实施例中，重置电路可操作地将阻变元件的值重置至高电阻状态。高电阻 状态能够充当用于阻变行为的基线，例如当被施加的电压大于设置阈值电压时，允许阻变 元件的电阻转变至低电阻状态。
[0018] 在一些实施例中，阈值设置电路可操作地设置阻变元件的设置阈值电压。阻变元 件的设置阈值电压可以是阻变元件的属性的函数，例如取决于制造工艺和阻变元件的材 料。阻变元件的设置阈值电压还可以由之前的重置操作控制。因此阈值设置电路可以被配 置成调制阻变元件的设置阈值电压，设置阈值电压本质上是比较器的参考电压。
[0019] 在一些实施例中，可以包括可选的切换电路，以在阻变电路、重置电路和阈值设置 电路之间转换对阻变元件的控制。
[0020] 在一些实施例中，提供了用于基于重置操作形成比较器电路的方法和电路。比较 器电路可以包括阻变元件，当施加的电压(例如，输入电压）的幅值大于重置阈值电压(例如 能够将阻变元件的电阻转变至高状态的电压）的幅值时，阻变元件可以改变电阻。例如，当 输入电压(例如，施加到阻变元件的电压)大于参考电压(阻变元件的重置阈值电压)时，阻 变元件的电阻可以改变至高值。
[0021] 在一些实施例中，比较器电路可包括阻变电路、重置电路、变换器电路和阈值设置 电路。阻变电路可包括阻变元件和电流控制装置。电流控制装置能够用来控制通过阻变元 件的电流。输入电压可以被施加到阻变元件的一个端子以生成阻变特性。
[0022] 在一些实施例中，变换器电路可操作地将阻变元件的值变换成希望的输出信号。 例如，变换器电路可以包括电流源，电流源可以经过阻变元件以生成与阻变元件的电阻相 对应的输出电压。因此可以生成输出电压，从而将阻变行为曲线变换成电压转换曲线。
[0023] 在一些实施例中，重置电路可操作地将阻变元件的值重置至低电阻状态。低电阻 状态能够充当用于阻变行为的基线，例如当被施加的电压大于重置阈值电压时，允许阻变 元件的电阻转变至高电阻状态。
[0024] 在一些实施例中，阈值设置电路可操作地设置阻变元件的重置阈值电压。阻变元 件的重置阈值电压可以是阻变元件的属性的函数，例如取决于制造工艺和阻变元件的材 料。阻变元件的重置阈值电压还可以由之前的设置操作控制。因此，阈值设置电路可以被配 置成调制阻变元件的重置阈值电压，重置阈值电压实质上是比较器的参考电压。
[0025] 在一些实施例中，可以包括可选的切换电路以在阻变电路、重置电路、变换器电路 和阈值设置电路之间转换对阻变元件的控制。
【附图说明】
[0026]为了便于理解，在可能的情况下，已经使用相同的附图标记来标示图所共有的相 同元件。附图没有按比例并且附图中的多种元件的相关尺寸是示意地绘制的并且没必要按 比例。
[0027] 通过考虑下面的详细描述连同所附附图容易理解本发明的技术，图中：
[0028] 图1A-图1B说明了现有技术的非反相施密特触发器电路的示意行为；
[0029] 图2说明了根据一些实施例的经过双极ReRAM单元的、作为施加到ReRAM单元的电 压的函数的电流的曲线图；
[0030]图3A-图3C说明了根据一些实施例的阻变元件的迟滞行为；
[0031]图4A-图4C说明了根据一些实施例的具有阻变元件的施密特触发器电路的示意 图；
[0032] 图5A-图5B说明了根据一些实施例的用于形成和操作具有阻变元件的非易失性施 密特触发器电路的流程图；
[0033] 图6A-图6C说明了根据一些实施例的具有变换器电路的非易失性施密特触发器电 路的不意图；
[0034] 图7A-图7B说明了根据一些实施例的非易失性施密特触发器电路的响应；
[0035]图8A-图8B说明了根据一些实施例的用于形成和操作具有阻变元件的非易失性施 密特触发器电路的流程图；
[0036]图9A-图9B说明了现有技术的比较器电路的示意行为；
[0037] 图10示出了根据一些实施例的经过单极ReRAM单元的、作为施加到ReRAM单元的电 压的函数的电流的曲线图；
[0038]图11A-图11B说明了根据一些实施例的阻变元件的比较器行为；
[0039]图12A-图12C说明了根据一些实施例的具有阻变元件的比较器电路的示意图； [0040]图13A-图13C说明了根据一些实施例的具有重置电路的非易失性比较器电路的示 意图；
[0041] 图14A-图14B说明了根据一些实施例的非易失性比较器电路的响应；
[0042] 图15A-图15B说明了根据一些实施例的用于形成和操作具有阻变元件的非易失性 比较器电路的流程图；
[0043] 图16A-图16B说明了根据一些实施例的具有重置电路和阈值设置电路的非易失性 比较器电路的示意图；
[0044] 图17说明了根据一些实施例的非易失性比较器电路的响应；
[0045] 图18A-图18B说明了根据一些实施例的用于形成和操作具有阻变元件的非易失性 比较器电路的流程图；
[0046]图19A-图19B说明了根据一些实施例的非易失性比较器电路的响应；
[0047]图20A-图20B说明了根据一些实施例的具有重置电路和变换器电路的非易失性比 较器电路的示意图；
[0048] 图21A和图21B说明了根据一些实施例的非易失性比较器电路的响应；
[0049] 图22A-图22B说明了根据一些实施例的用于形成和操作具有阻变元件的非易失性 比较器电路的流程图；
[0050] 图23A-图23B说明了根据一些实施例的具有重置电路、变换器电路和阈值设置电 路的非易失性比较器电路的示意图；
[0051] 图24说明了根据一些实施例的非易失性比较器电路的响应；
[0052]图25A-图25B说明了根据一些实施例的用于形成和操作具有阻变元件的非易失性 比较器电路的流程图。
【具体实施方式】
[0053]下面提供了一个或多个实施例的详细描述以及附图。结合这类实施例提供了详细 的描述，但是详细的描述并不限制于任何特定的示例。范围仅由权利要求限制，并且囊括了 很多替代物、修改和等效物。下面的描述中阐述了许多具体细节以便提供全面的理解。出于 示例的目的提供这些细节，并且在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下，可以根据 权利要求实践所描述的技术。出于清楚的目的，没有详细描述与实施例相关的技术领域中 已知的技术材料，以避免本描述被不必要地模糊。
[0054]在一些实施例中，提供了用于形成施密特触发器电路的方法，以及由该方法产生 的施密特触发器电路，其中阻变元件可以作为用于信号的迟滞器件操作。例如，施密特触发 器电路能够使用输入信号来设置阻变元件的电阻。由于阻变元件在设置电压和重置电压下 转换状态，因此，电阻-电压曲线呈现类似于常规的施密特触发器电路的迟滞曲线的迟滞曲 线。
[0055] 在一些实施例中，施密特触发器电路可以包括阻变电路和变换器电路。变换器电 路可操作地将阻变电路的电阻迟滞曲线变换成电压(或电流)迟滞曲线。例如，变换器电路 可以包括电流源，电流源能够经过阻变元件以生成与阻变元件的电阻相对应的输出电压。 变换器电路可以被配置成生成非反相或反相施密特触发器电路。
[0056] 阻变电路可以包括阻变元件和可选的电流控制装置。电流控制装置可以包括电阻 器、晶体管、或其它电路元件。电流控制装置可操作地控制通过阻变元件的电流。例如，电流 控制装置可以与阻变元件串联连接，因此依靠控制通过电流控制装置的电流来调节通过阻 变元件的电流。在一些实施例中，例如如果通过阻变元件的电流可以被阻变元件的内电阻 限制，那么电流控制装置可以被省去。
[0057]在典型的操作中，输入电压可以被施加到阻变元件，以生成电阻迟滞曲线。例如依 靠变换器电路可以从阻变元件生成输出电压，变换器电路将电阻迟滞曲线变换成电压迟滞 曲线。
[0058]在一些实施例中，可以包括切换电路以在阻变电路(例如，用于将阻变元件耦接至 输入电压以设置阻变元件的电阻)和变换器电路(例如，用于从阻变元件的电阻生成希望的 输出信号，例如输出电压)之间转换对阻变元件的控制。
[0059] 在一些实施例中，切换操作可以是循环的，例如在阻变电路和变换器电路之间周 期地转换。例如，切换电路能够切换至第一位置，以将对阻变元件的控制带至输入电压。可 以将第一输入电压施加到阻变元件，从而设置阻变元件的电阻。例如，如果输入电压小于设 置电压，那么阻变元件保持在其高电阻状态下。如果输入电压高于设置电压，那么阻变元件 转换至其高电阻状态。
[0060] 切换电路能够切换至第二位置，以将对阻变元件的控制带至变换器电路。来自变 换器电路的电压或电流能够被施加到阻变元件，从而生成与阻变元件的电阻值相对应的电 流或电压。
[0061] 切换电路能够切换回到第一位置，以根据新的输入电压来设置阻变元件。可以重 复切换操作以生成输出电压，输出电压具有关于输入电压的施密特触发器传递函数。
[0062] 在一些实施例中，本发明将阻变材料的使用扩展到众所周知的非易失性存储器装 置中的应用之外，并且将阻变材料应用到混合晶体管-阻变逻辑电路的实施。提供了形成阻 变施密特触发器电路的方法，它可以表示走向真正的混合晶体管-阻变电子器件的实施的 基础构建块。
[0063] 在一些实施例中，本施密特触发器电路是数字装置(与常规模拟施密特触发器相 反），本施密特触发器电路生成数字形式的电阻曲线或输出电压曲线。换句话说，输出电阻 或电压是脉冲的，例如从得到输入值以设置电阻和生成输出电压的循环操作切换。输入电 压可以是数字的(例如脉冲的），或模拟的(例如连续的）。
[0064] 本施密特触发器电路能够消除对外部参考电压的需要，因为用于阻变元件的低电 阻状态(LRS)和高电阻状态(HRS)的阈值是触发器电路的阈值。与传统的施密特触发器相 比，本施密特触发器电路具有紧凑的结构。本施密特触发器电路可以被设计成通过改变阻 变元件的极性或通过改变变换器电路的极性反相或不反相。本施密特触发器电路可以是非 易失性的，例如信息存储在非易失性的电阻改变中。
[0065] 阻变元件的非易失性行为能够允许实施非易失性数字施密特触发器电路(例如， 使用阻变元件作为迟滞器件的施密特触发器电路）。在下面提供对阻变元件的描述(在电阻 存储器装置的情况下），以阐明阻变元件的行为，并且允许理解阻变元件在采样保持电路中 的结合。
[0066] 呈现阻变特性的阻变随机访问存储器(ReRAM)单元通常包括构成堆叠的多个层。 这种堆叠结构有时候被描述成金属-绝缘体-金属(ΜΠΟ结构。具体地，堆叠包括两个作为电 极操作的导电层。这些层可以包括金属和/或其它导电材料。堆叠还包括布置在电极之间的 绝缘体层。绝缘体层呈现阻变属性，该阻变属性表征为形成这层的材料的不同的电阻状态。 正因如此，这个绝缘体层通常被称为阻变层。这些电阻状态可以被用来表示一位或多位信 息。绝缘体层的阻变属性被认为取决于这层中的多种缺陷(defect)的存在和分布。例如，层 中的氧空缺的不同分布可以反映层的不同的电阻状态，并且这些状态对于存储器应用来说 可以是足够稳定的。
[0067]为了实现阻变层中的缺陷的某个浓度，通常层已经沉积有已经存在于层中的缺 陷，即，预先形成的缺陷。换句话说，缺陷在层形成期间被引入到层中。例如，严格控制原子 层沉积(ALD)、物理气相沉积(PVD)、或用来维持在后端线(BE0L)热预算内的一些其它的低 温工艺可以被用来沉积堆叠的绝缘体层。特别是在非常薄的阻变层(例如，小于100埃）中， 要精确地重复控制这些缺陷的形成是困难的。例如，当ALD被用来形成阻变层时，一些未反 应的前驱体会留下含碳的残余物，含碳的残余物会影响沉积层的电阻特性。而且，即使有可 能，精确地重复实现部分饱和也可能是非常困难的。在PVD的情况下，溅射靶材趋向于磨损， 从而影响沉积速率并引起在产生的阻变层中的变化。
[0068] 形成非易失性存储器元件的方法可以涉及在堆叠退火期间将氧气从前驱体层(例 如，用来形成或更具体地变换成阻变层)转移到电极。退火环境可包括一些氢气以控制退火 后组织内的氧气的分布。
[0069] 如上所述，氧气从前驱体层扩散到电极使得前驱体层变换成阻变层。前驱体层可 包括在氧空缺或一些其它缺陷在该层内形成以前不能起阻变层作用的化学当量氧化物或 近化学当量氧化物。这个氧化物的金属的负电性可以比用来捕集前驱体水平扩散出的氧气 的电极的金属更高。至少在氧气转移之前，电极可以大体上没有氧气，但是电极可以在退火 期间形成氧化物。
[0070] 堆叠可以具有活性电极和惰性电极，活性电极在退火期间接收一些氧气，惰性电 极基本上不参与氧气转移。惰性电极可以被称为耐氧电极并且可以由氮化钛、氮化钽、铂、 金等等制成。用于惰性电极的其它适合材料包括多种导电氧化物，例如，氧化铱和氧化钌。 在一些实施例中，惰性电极包括面向阻变层的氧化物亚层。电极的其余部分可以由这个氧 化物金属形成并且基本上无氧。例如，初始组织可以由金属制造并且然后被预处理以形成 氧化物层，由此产生惰性电极。然后这个电极接收前驱体层和在前驱体层上方形成的另一 活性电极。在随后的退火期间，惰性电极不经历任何显著的氧气转移，而活性电极从前驱体 层接收氧气，由于前驱体层失去氧气，因此它变换成阻变氧化物层。
[0071] 如果具有保护氧化物层的惰性电极是堆叠中首先形成的电极(例如，底部电极）， 那么它会作为金属层首先被沉积，然后在氧气中进行短的低温退火。另一方面，如果惰性电 极是堆叠中最后形成的电极(即，顶部电极），那么它的沉积可以在氧气环境下开始(在含氧 等离子体中溅射）以形成最初的氧化物亚层，随后在惰性环境中沉积以形成电极的剩余金 属(和无氧)部分。
[0072] 活性电极可由与氧气发生反应的材料制成以形成非导电氧化物。适合材料的一些 示例包括错，钛、钽、络、镨、钼、妈、和银。
[0073] 前驱体层可以由诸如氧化钽(Ta205)、氧化铌(Nb205)、二氧化钛(Ti02)、二氧化铪 (Η??2)、钛酸锶(SrTi03)、或其它适合的过渡金属氧化物、钙钛矿锰氧化物或稀土元素氧化 物等的材料制成。前驱体层可包括化学当量的氧化物或近化学当量的氧化物。例如，在它被 退火之前，前驱体层中的氧空缺可具有小于0.1原子百分比的浓度。
[0074] 退火可以在完全成形的堆叠或部分成形的堆叠上进行，完全成形的堆叠包括两个 电极和前驱体层，部分成形的堆叠只包括一个电极(第二个电极在退火之后形成）。这些堆 叠中还可以存在其它类型的层。如上所述，退火在相对温和的条件下进行，以实现对一个或 多个活性层和前驱体层之间的氧扩散的更好控制。退火可以在前驱体层中形成有梯度的氧 空缺成分。
[0075] 当某个转换电压(例如，设置电压或重置电压)被施加到阻变层时，阻变层改变它 的电阻状态，如下面进一步讲解的。被施加的电压引起层内或在它与其它器件的两个交界 面中的一个或两个处的局部加热。不受任何特定理论限制地，电场和局部加热(两者都由被 施加的电压引起)的组合导致阻变层内和/或其交界面处的多个导电通路的形成和损坏。依 靠移除阻变层内的缺陷(例如，氧空缺)和通过阻变层与相邻层形成的一个或多个交界面来 建立和损坏这些导电通路。
[0076] 交界面可以是惰性交界面或活性交界面。惰性交界面一般没有通过这个交界面的 任合显著的缺陷转移。虽然缺陷可以存在于形成这个交界面的一个或两个层中，但是当转 换电压、读电压或其它类型的电压被施加到ReRAM单元时，这些缺陷不会通过惰性交界面交 换。活性交界面一般经历通过这个交界面的缺陷转移。当阻变层包括含氧材料(例如，金属 氧化物)时，活性交界面由氧气活性材料(例如，钛)形成。惰性交界面可以由非氧气活性材 料形成，它可以是电极或扩散阻碍层的一部分。在一些实施例中，通过活性交界面的缺陷通 量比通过惰性交界面的缺陷通量大两个或更多数量级。正因为如此，"惰性"和"活性"的命 名惯例是相对的。
[0077] 当缺陷通过活性交界面移进和移出阻变层时，惰性交界面提供对阻变层的控制。 例如，当转换电压被施加到阻变层以便使它的电阻减小时，活性交界面允许缺陷流到层中。 缺陷通常被施加到层的电势能驱动并且形成通过层的导电通路。这个流动的方向可以由转 换电压的极性和/或由缺陷的电荷(例如，带正电氧空缺)确定。同时，尽管在驱动势能的作 用下，第二惰性交界面也阻止缺陷从层逃脱。如果两个交界面都是活性的并都允许缺陷通 过，那么阻变层可以在一个交界面获得缺陷并且在另一个交界面失去缺陷。在这种情况下， 层可能永远不能够获得足够的缺陷来形成导电通路。
[0078] 上面的方案可以以非常类似的方式应用到重置操作，在重置操作期间阻变层被带 到它的高电阻状态。当转换电压被施加到层以便增加它的层电阻时，活性交界面允许缺陷 流出层。缺陷还可以被施加到层的电势能驱动，如上面描述的。缺陷的失去可能最终损坏层 中的导电通路。同时，尽管在驱动势能的作用下，第二惰性交界面也阻止缺陷进入层。如果 两个交界面都是活性的并且允许缺陷在重置操作期间通过，那么阻变层可以在一个交界面 获得缺陷而在另一个交界面处失去缺陷，在这种情况下，层可能永远不能够失去足够的缺 陷以便损坏它的导电通路。
[0079] 交界面阻挡缺陷（作为惰性交界面）或允许缺陷扩散通过交界面（作为活性交界 面)的能力取决于形成这个交界面的层以及阻变层的属性。通常导电电极被用来形成活性 交界面和惰性交界面。这些电极可以被称为活性电极或惰性电极并且用来形成这些电极的 材料可以被称为活性材料和惰性材料。应注意的是，这个术语（即活性和惰性)主要指的是 交界面的缺陷移动属性。一些示例的惰性电极材料包括参杂多晶硅、铂、钌、氧化钌、金、铱、 铜、银、和钨。示例的活性电极材料包括钛。而且，一些材料可以被定义成半惰性的，包括氮 化钽、钽硅氮化物、和钨硅氮化物。在含氧阻变材料的情况下，例如，金属氧化物，活性材料 也可以被称为氧气活性材料，因为氧气或氧空缺通过活性交界面交换。钛是氧气活性材料 的一个示例，然而也可使用其他示例。
[0080]为了更好的理解与形成下面进一步描述的非易失性存储器元件的方法相关联的 多种特征和结构，提供了对ReRAM单元和它们的转换机制的简要描述。ReRAM是非易失性存 储器类型，它包括呈现阻变特性的电介质材料。电介质(通常是绝缘体)可以被制成在被施 加足够高的电压之后导通一个或多个细丝(filament)或导电通路。导电通路的形成可以产 生于不同的机制，包括在下面进一步描述的缺陷、金属迀移、和其它机制。一旦一个或多个 细丝或导电通路形成在存储器装置的电介质器件中，这些细丝或导电通路可以通过施加某 些电压而被重置(或损坏，导致高电阻)或设置(或再形成，导致较低的电阻）。不受任何特定 理论限制地，阻变被认为与阻变层内的，和在一些实施例中由于阻变电压而横穿一个形成 的交界面(当转换电压被施加到层时）的缺陷迀移相对应。
[0081 ]图2示出了根据一些实施例的经过双级ReRAM单元的、作为被施加到ReRAM单元的 电压的函数的电流的曲线。金属-绝缘体-金属(MIM)结构首先被制造成使得一定量的缺陷 嵌入在绝缘体层中。电压可以被施加到MIM结构，以例如通过将绝缘体层变成转换层来从 Μ頂结构形成电阻存储器装置。通过施加形成电压Vform，随机分布的缺陷能够被转变成较 低的电阻配置，例如采用细丝形式。
[0082] 较低电阻配置230可以被表征为用于电阻存储器装置的低电阻状态(LRS)224,即 使当电压降低时低电阻状态(LRS)224也继续存在。LRS能够表示存储器装置的逻辑状态，例 如逻辑零（"0"）。
[0083] 在LRS下，当另一电压（例如Vreset)被施加时，电阻能够转变226成高电阻状态 (HRS)212,高电阻状态212具有高电阻配置250,即使在电压降低时高电阻状态212也继续存 在。HRS可以表示存储器装置的另一逻辑状态，例如逻辑一（"1"）。重置电压Vreset小于形成 电压Vform。
[0084] 在HRS下，当另一电压（例如Vset)被施加时，电阻可以转变228回到低电阻状态 (LRS)224,即使在电压降低时低电阻状态224也继续存在。设置电压Vset也小于形成电压 Vform〇
[0085] 总的来说，ReRAM单元可以在它的LRS和HRS之间来回多次转换。例如，当希望"接 通"单元(例如为了具有LRS)时，可以通过将设置电压Vset施加到电极来进行设置操作。设 置电压的施加在阻变层中形成一个或多个导电通路。如果希望"关闭" ReRAM单元(例如为了 改变成HRS)，可以通过将重置电压Vreset施加到电极来进行重置操作。重置电压的施加能 够毁坏阻变层中的导电通路。
[0086] 重置电压和设置电压的极性在单极存储器装置(未示出）中可以是相同的，或者在 双极装置中可以是不同的。不受任何特定理论限制地，阻变被认为是由于细丝形成和毁坏 而发生，而细丝形成和毁坏是由电场的施加而引起的。
[0087] 在这些状态中的每个中（在转换操作之间），可以进行一次或多次读操作或一次都 不进行读操作。在读操作期间，通过将感测电压施加到它的电极，可以感测到ReRAM单元的 状态，或更具体地阻变层其电阻的电阻状态。感测电压有时候被称为读电压Vread。
[0088] 在一些实施例中，设置电压Vset在大约lOOmV和10V之间，或更具体地在大约500mV 和5V之间。设置电压脉冲的长度可以小于大约100毫秒，或更具体地小于大约5毫秒，甚至是 小于大约100纳秒。读电压Vread可以在设置电压Vset的大约0.1和0.5之间。在一些实施例 中，读电流（Ι0Ν和I0FF)大于大约1mA，或更具体地大于大约5mA，以允许相当小的感测放大 器快速检测到状态。读电压脉冲的长度可以与对应的设置电压脉冲的长度相差无几，或可 以比写电压脉冲更短。ReRAM单元应该能够在LRS和HRS之间无故障地循环至少大约103次， 或更具体地至少大约107次。在热应力高达85°C而电应力小时(例如不断施加读电压），数据 保留时间应为至少大约5年，或更具体地至少大约10年。其它考虑可以包括低电流泄露，例 如在HRS下对于每20A的氧化物厚度，在0.5V下测量的电流泄露小于大约40A/cm2。
[0089] 在一些实施例中，阻变元件(例如包括电阻存储器装置，该电阻存储器装置具有布 置在两个电极之间的阻变元件)能够被用在施密特触发器电路中。阻变元件(或电阻存储器 装置)的非易失性迟滞特性能够被用来生成施密特触发器电路的迟滞转移功能。
[0090] 图3A-图3C说明了根据一些实施例的阻变元件的迟滞行为。图3A示出了阻变装置 的示意图，该阻变装置包括电介质层330,电介质层330布置在两个电极320和430之间。电介 质层330能够作为阻变元件操作，例如形成和离解导电细丝以改变电阻。如图3B和图3C示出 了作为被施加到电极320和340的输入电压的函数的阻变装置的电阻响应。阻变装置是双极 阻变装置，意思是设置电压和重置电压具有相反的极性。图3B中，设置电压Vset是负的而重 置电压Vreset是正的。当输入电压Vin大于重置电压Vreset时，电阻从低值(LRS)转换为高 值(HRS)。当输入电压Vin的幅值大于（例如，更负于）设置电压Vset的幅值时，电阻从高值 (HRS)转换到低值(LRS)。电阻响应形成非反相迟滞曲线。
[0091] 图3C中，设置电压Vset是正的而重置电压Vreset是负的。当输入电压Vin大于设置 电压Vset时，电阻从高值(HRS)转换到低值(LRS)。当输入电压Vin的幅值大于(例如，更负 于)重置电压Vreset的幅值时，电阻从低值(LRS)转换为高值(HRS)。电阻响应形成反相迟滞 曲线。因此，通过改变阻变装置的极性能够实现非反相或反相响应。
[0092]图4A-图4C说明了根据一些实施例的具有阻变元件的施密特触发器电路的示意 图。图4A示出了施密特触发器电路400的示意框图，施密特触发器电路400包括阻变元件420 和电流控制电路410。如同示出的，施密特触发器电路400具有迟滞电阻-电压转移特性，例 如具有输入电压Vin和输出电阻Rrs。在一些实施例中，可以省去电流控制电路410。
[0093]图4B示出了施密特触发器电路400的示例，施密特触发器电路400包括耦接至电阻 器415的阻变元件425(阻变元件425布置在两个电极之间）。阻变元件425可具有可变电阻 Rrs，由通过阻变元件的电流设置可变电阻Rrs。电阻器415能够控制通过阻变元件410的电 流。可从电阻器415得到输出电压Vout。
[0094]图4C示出了施密特触发器电路400的示例，施密特触发器电路400包括耦接至控制 晶体管416的阻变元件425(阻变元件425布置在两个电极之间）。阻变元件425可以具有可变 电阻Rrs，由通过阻变元件的电流设置可变电阻Rrs。电路可以连接至输入电压Vin和用于晶 体管416的门电压Vg。通过阻变元件410的电流可被控制晶体管416的门电压Vg控制。可从控 制晶体管416得到输出电压Vout。
[0095]图5A-图5B说明了根据一些实施例的用于形成和操作具有阻变元件的非易失性施 密特触发器电路的流程图。阻变元件可以是布置在两个电极之间的绝缘体或电介质层。描 述的流程图是对用来形成上述存储器装置的技术的一般性描述。流程图描述用于形成取样 维持电路的技术，该取样维持电路一般包括阻变元件和其它的支持电路，例如电流控制装 置。尽管描述了某些加工技术和规范，但是应理解的是，也可以使用多种其它技术和文中描 述的技术的修改。
[0096] 图5A示出了具有阻变元件的非易失性施密特触发器电路的形成。施密特触发器电 路可以取样输入电压，并且设置与输入电压相对应的阻变元件的电阻。阻变元件的响应时 间可以是短的，例如，以皮秒范围量级，取样操作可以被视为瞬间的。
[0097] 操作500形成非易失性施密特触发器电路。非易失性施密特触发器电路可包括阻 变装置和电流控制装置，其中阻变装置被配置成接受输入电压。电流控制装置可以被配置 成生成输出电压。
[0098] 阻变元件可包括绝缘体层，例如1102、!1?)2、211〇2)1203、钛酸锶(31'0)、铟镓锌氧 化物（IGZ0)、或Sn02的金属氧化物层。绝缘体层可包括过渡金属氧化物。绝缘体层的厚度可 以在3nm和30nm之间。在一些实施例中，绝缘体层可包括金属和金属氧化物层、氧属元素和 钙钛矿层的任意组合。
[0099] 在形成绝缘体层之后可选地进行处理。处理可包括等离子体处理或高温处理。例 如，处理可包括在氧气环境中在300C下快速热氧化。处理可以在第一电极层的沉积之后在 原位置进行。处理可包括氧自由基退火，例如氧气环境中的等离子体退火。
[0100] 在一些实施例中，可以通过PVD或ALD工艺沉积绝缘体层。例如，ALD工艺可包括03 氧化剂，沉积温度为大约250-300C，并且使用四（乙基甲基氨基)锆(TEMAZ)前驱体、三(二甲 基氨基）环戊二烯基锆前驱体、四（乙基甲基氨基）铪(TEMAHf)前驱体、四（二甲基氨基）铪 (TDMAHf)前驱体。
[0101] 绝缘体可形成于两个电极之间。电极可以是多晶硅层或含金属层。例如，电极可以 是高度参杂的多晶硅层，使用常规的化学气相沉积(CVD)或原子层沉积(ALD)类型的多晶硅 沉积技术形成高度参杂的多晶硅层。替代地，电极可以包括TiN、TaN、Ni、Pt、或Ru。也可使用 其他元素，例如!^1、1〇02、1、？〇17-3丨、113丨1了 &3丨~或可使用?￥0或其它工艺形成的它们 的任意组合、混合物或合金，以及它们。其它加工技术，例如，ALD、脉冲层沉积(PLD)、物理气 相沉积(PVD)、CVD、蒸发等也能够用来沉积电极。电极可具有任何厚度，例如在大约5nm和大 约500nm厚之间。
[0102] 图5B示出了具有阻变元件的非易失性施密特触发器电路的操作。在输入电压被施 加到施密特触发器电路之后，可提供电阻响应。
[0103] 操作530提供具有阻变装置和电流控制装置的电路。电路可以是非易失性施密特 触发器电路。操作540将输入电压施加到电路，以实现施密特触发器功能，其中电路具有电 阻-电压曲线的转移功能。
[0104] 在一些实施例中，非易失性施密特触发器电路可包括变换器电路，变换器电路可 操作地对阻变电路的电阻响应进行变换，例如以从电阻输出Rrs生成电压输出Vout。因此当 接收到输入信号，例如输入电压时，可从阻变元件的设置电阻生成输出电压，其中阻变元件 已经被设置成具有与输入信号相对应的电阻。输出电压响应可以是非线性的，因为如上面 讨论的，阻变元件的典型响应是非线性的。可用具有合适的补偿响应的附加电路来实现线 性响应。
[0105] 变换器电路可包括电压源(连续的或脉冲的）、电流源(连续的或脉冲的）或任何其 它的电路。例如，电阻存储器装置的读电路可被用来将阻变元件的电阻变换成电压或电流。 在取样时间段之后(例如，在阻变元件响应取样信号之后），可以向阻变元件提供变换器电 路。
[0106] 图6A-图6C说明了根据一些实施例的具有变换器电路的非易失性施密特触发器电 路的示意图。图6A示出了电路600的简化的框图，电路600能够使用阻变元件提供非易失性 施密特触发器功能。电路600可包括阻变电路610，例如，具有阻变元件的电路。阻变电路610 还可包括电流控制电路，以控制经过阻变元件的电流。阻变电路610可操作地接受输入电压 Vin，并提供与输入信号Vin相对应的电阻响应Rrs。阻变电路610可与上面讨论的具有电阻-电压转移功能的电路相似。
[0107] 电路600可包括变换器电路630,变换器电路630可操作地对阻变电路610进行变 换，例如将阻变元件的电阻变换成希望的响应，例如输出电压或输出电流。变换器电路630 可包括电压源或电流源，电压源或电流源是连续的或脉冲的，并且能够向阻变元件提供信 号以生产电压或电流，该电压或电流与阻变元件的电阻的值相对应。例如，如果变换器电路 包括线性电流源，那么可以生成与电阻成线性比例的电压。如果变换器电路包括非线性源， 那么可生成对电阻的非线性信号。
[0108] 在一些实施例中，当施加输入电压Vin时，阻变电路610可生成电阻响应Rrs，电阻 响应Rrs具有与输入信号Vin相对应的电阻值。变换器电路630可将电阻Rrs变换成希望的信 号，例如输出电压Vout。
[0109] 图6B示出了电路605的简化电路图，电路605能够使用阻变元件提供非易失性施密 特触发器功能。电路605可包括阻变电路，例如，具有阻变元件615和晶体管617的电路，晶体 管617作为电流控制电路，用来控制经过阻变元件615的电流。阻变电路可操作地接受输入 电压Vin，以将阻变元件615的电阻设置成与输入信号Vin相对应，例如作为输入信号Vin的 函数。
[0110]电路605可包括变换器电路635,变换器电路635可将阻变元件615的电阻值变换成 希望的输出信号。变换器电路635可包括电压源637或638,电压源637或638能够提供信号， 以从阻变元件615生成希望的信号。可以包括一组开关680A和680B，以使阻变元件615在阻 变电路(包括Vin和晶体管617)和变换器电路635之间切换。在一个切换位置中，变换器电路 635被配置成控制阻变元件615,例如，用于将电压或电流施加到阻变元件615。在其它切换 位置中，阻变电路被配置成控制阻变元件615,例如用于将阻变元件设置成具有与输入电压 Vin相对应的电阻。
[0111] 在一些实施例中，操作中，当施加输入电压Vin时，阻变元件615的电阻被设置成与 电压Vin相互关联的电阻Rrs。然后变换器电路635能够将设置电阻变换成希望的输出，例如 输出电压。
[0112] 图6C示出了电路605的简化电路图，电路605能够使用阻变元件提供非易失性施密 特触发器功能。电路605可包括阻变电路，例如，具有阻变元件615和晶体管618的电路，晶体 管618能够作为电流控制电路，用来控制经过阻变元件615的电流。电路606的操作与前面的 电路605相似。
[0113] 图7A-图7B说明了根据一些实施例的非易失性施密特触发器电路的响应。输出电 压Vout被示出为输入电压Vin的函数。响应曲线具有迟滞形式，在输入电压的设置电压和重 置电压下，在输出电压的HRS和LRS值之间转换。可取决于阻变装置的极性生成非反相（图 7A)和反相（图7B)迟滞响应。
[0114]图8A-图8B说明了根据一些实施例的用于形成和操作具有阻变元件的非易失性施 密特触发器电路的流程图。图8A示出了具有阻变元件的非易失性施密特触发器电路的形 成。施密特触发器电路可操作地接受输入电压，并且生产具有迟滞曲线的输出电压。
[0115] 操作800形成非易失性施密特触发器电路。非易失性施密特触发器电路可包括阻 变电路和变换器电路。阻变电路可操作以响应于输入电压Vin生成电阻Rrs。变换器电路可 操作地将阻变电路的电阻变换成输出电压。还可以包括切换电路，以在变换器电路和阻变 电路之间切换对阻变元件的控制。
[0116] 非易失性施密特触发器电路可作为施密特触发器电路操作，例如包括取样输入电 压和生成具有施密特触发器响应曲线的输出电压的功能。
[0117] 图8B示出了具有阻变元件的非易失性施密特触发器电路的操作。输入电压被施加 到施密特触发器电路，它可用来设置阻变元件的电阻。
[0118] 操作830提供具有阻变电路和变换器电路的电路。电路可以是非易失性施密特触 发器电路。操作840将输入电压施加到阻变元件以设置阻变元件的电阻。可以进行可选的切 换操作，以控制阻变元件转换到阻变电路。
[0119] 操作850例如通过将电流或电压施加到阻变元件来读阻变元件，从而将阻变电路 的电阻变换成输出电压。可以进行可选的切换操作，以使对阻变元件的控制转换至变换器 电路。
[0120] 在一些实施例中，切换操作可以是循环的，例如周期地在阻变电路和变换器电路 之间转换。切换操作能够生成数字施密特触发器输出，由于切换操作数字施密特触发器输 出是脉冲输出。输入电压可以是模拟的或数字的。
[0121 ] 在一些实施例中，提供了形成比较器电路的方法，和由该方法产生的比较器电路， 其中阻变元件的属性(例如，设置或重置阈值电压)可以被用作参考信号。例如，比较器电路 可将输入信号与阻变元件的设置或重置阈值电压相比较。进一步，可以分别通过之前的重 置或设置操作来修改设置或重置阈值电压，由此产生具有可调节参考电压的比较器电路。
[0122] 在一些实施例中，比较器电路还可包括重置电路，重置电路可操作地设置或重置 阻变元件的电阻状态。例如，可包括重置电路以在进行比较器操作之前设置阻变元件，例如 将阻变元件置于低电阻状态（高电导率状态）。阻变元件被置于作为初始状态的低电阻状 态。输入电压可以开始增加(在幅值方面，正值更高或负值更低），直到达到重置阈值电压为 止，这可以从阻变元件生成响应。替代地，可以包括重置电路，以在进行比较器操作之前重 置阻变元件，例如，将阻变元件置于高的电阻状态(低电导率状态）。阻变元件被置于作为初 始状态的高电阻状态。输入电压可开始增加(在幅值方面，正值更高或负值更低），直到达到 设置阈值电压为止，这可以从阻变元件生成响应。
[0123] 阻变电路可包括阻变元件和可选的电流控制装置。电流控制装置可包括电阻器、 晶体管或其它电路元件。电流控制装置可操作地控制通过阻变元件的电流。例如，电流控制 装置可以与阻变元件串联连接，因此依靠对通过电流控制装置的电流进行控制来调节通过 阻变元件的电流。在一些实施例中，例如，如果通过阻变元件的电流可以通过阻变元件的内 电阻限制，电流控制装置可以被省去。
[0124] 在典型的操作中，输入电压可以被施加到阻变元件。例如，当输入电压超过(在幅 值方面)阻变元件的设置或设置阈值电压时，可以从阻变元件生成输出响应。
[0125] 在一些实施例中，可以包括切换电路以在阻变电路(例如，用于将阻变元件耦接至 输入电压以设置阻变元件的电阻)和重置电路(例如，用于将阻变元件设置为希望的初始状 态)之间转换对阻变元件的控制。
[0126] 在一些实施例中，可以进行一次切换操作，例如首先切换至重置电路以设置用于 阻变元件的初始值，然后切换至阻变电路以执行比较器功能。
[0127] 在一些实施例中，切换操作可以是循环的，例如周期地在重置电路(用来设置用于 阻变元件的初始值)和阻变电路(用来执行比较器功能)之间转换。例如，可以在每个比较器 功能之后执行重置功能。
[0128] 在一些实施例中，本发明使阻变材料的使用扩展到众所周知的非易失性存储器装 置中的应用之外，并且将阻变材料应用到混合晶体管-阻变逻辑电路的实施。提供了形成阻 变比较器电路的方法，它可以表示走向真正的混合晶体管-阻变电子器件的实施的基础构 件块。
[0129] 在一些实施例中，本比较器电路可以是数字装置(与常规模拟比较器相反），本比 较器生成数字形式的比较器输出电压曲线。换句话说，输出电阻或电压是脉冲的，例如从得 到输入值以设置电阻和生成输出电压的循环操作切换。输入电压可以是数字的（例如，脉冲 的)或模拟的（例如，连续的）。本比较器电路可以基于阻变元件的设置阈值电压或基于阻变 元件的重置阈值电压。
[0130] 与传统比较器相比，本比较器电路可具有紧凑的结构。本比较器电路可消除对外 部参考电压的需要，因为用于阻变元件的低电阻状态(LRS)和高电阻状态(HRS)的阈值是比 较器电路的阈值。进一步，设置和重置阈值电压可以由阻变元件的属性决定，在重置/设置 阶段期间也可分别由之前的重置/设置操作控制。因此，通过施加适合的电气控制，Vset_ threshold和Vreset_threshoId可以被调制，例如通过改变比较器的参考电压Vref产生调 制。
[0131 ]图10说明了根据一些实施例的经过单极ReRAM单元的、作为被施加到ReRAM单元的 电压的函数的电流的曲线。较低的电阻配置1030可以表征成用于电阻存储器装置的低电阻 状态(LRS)1024。
[0132] 在LRS下，当另一电压(例如Vreset)被施加时，电阻可以转变1026至具有高电阻配 置1050的高电阻状态(HRS) 1012。在HRS下，当另一电压(例如Vset)被施加时，电阻可以转变 1028回到低电阻状态(LRS) 1024。
[0133] 图11A-图11B说明了根据一些实施例的阻变元件的比较器行为。这些图示出了作 为被施加到阻变元件的电极的输入电压的函数的阻变装置的电阻响应。阻变装置可以是单 极或双极阻变装置。图11A中，当输入电压Vin(在幅值方面)大于设置电压Vset时，电阻从高 值(HRS)转换到低值(LRS)。图11B中，当输入电压Vin(在幅值方面)大于重置电压Vreset时， 电阻从低值(LRS)转换到高值(HRS)。
[0134] 图12A-图12C说明了根据一些实施例的具有阻变元件的比较器电路的示意图。图 12A示出了比较器电路1200的示意框图，比较器电路1200包括阻变元件1220和电流控制电 路1210。如同示出的，比较器电路1200具有电阻-电压转移特性，例如，具有输入电压Vin和 输出电阻Rrs。在一些实施例中，电流控制电路1210可以被省去。
[0135] 图12B示出了比较器电路1200的示例，比较器电路1200包括耦接至电阻器1215的 阻变元件1225(阻变元件1225布置在两个电极之间）。阻变元件1225可具有可变电阻Rrs，可 以凭借通过阻变元件的电流设置可变电阻Rrs。电阻器1215能够控制能够通过阻变元件 1210的电流。可以从电阻器1215得到输出电压Vout。
[0136] 图12C示出了比较器电路1200的示例，比较器电路1200包括耦接至控制晶体管 1216的阻变元件1225(阻变元件1225布置在两个电极之间）。电路可以连接至输入电压Vin 和用于晶体管1216的门电压Vg。可以凭借控制晶体管1216的门电压Vg对通过阻变元件1210 的电流进行控制。可以从控制晶体管1216得到输出电压Vout。
[0137] 图13A-图13C说明了根据一些实施例的具有重置电路的非易失性比较器的示意 图。图13A示出了电路1300的简化框图，电路1300能够使用阻变元件提供非易失性比较器功 能。电路1300可包括阻变电路1310，例如具有阻变元件的电路。阻变电路1310还可包括电流 控制电路，以控制经过阻变元件的电流。阻变电路1310可操作地接受输入电压Vin，并提供 与输入信号Vin相对应的电阻响应Rrs。阻变电路1310可以与上面讨论的具有电阻-电压转 移功能的电路相似。
[0138] 电路1300可包括重置电路1330,重置电路1330可操作地重置阻变电路1310,例如， 重置阻变电路1310中的阻变元件的电阻。重置电路1330可包括电压源或电流源，电压源或 电流源是连续的或脉冲的，并且可提供信号以使阻变元件转变至高电阻状态。
[0139] 在一些实施例中，重置电路1330可以重置阻变电路1310,例如等于或大于(在幅值 方面)能够设置或重置阻变元件的电压的电压可以被施加到阻变元件以将阻变元件分别置 于低或高电阻值。当重置阻变元件时，阻变电路1310可生成电阻响应Rrs，电阻响应Rrs具有 与输入信号Vin相对应的电阻值。
[0140]图13B示出了电路1305的简化电路图，电路1305使用阻变元件提供非易失性比较 器功能。电路1305可包括阻变电路，例如，具有阻变元件1315和晶体管1317的电路，晶体管 1317作为电流控制电路，用来控制经过阻变元件1315的电流。阻变电路可操作地接受输入 电压Vin以将阻变元件1315的电阻设置成与输入信号Vin相对应，例如作为输入信号Vin的 函数。
[0141] 电路1305可包括重置电路1335,重置电路1335能够将阻变元件1315的电阻值重置 至初始值。重置电路1335可包括电压源1337或1338,电压源1337或1338能够提供电压或电 流以设置或重置阻变元件1315。可以包括一组开关1380A和1380B以使阻变元件1315在阻变 电路(包括Vin和晶体管1317)和重置电路1335之间切换。在一个切换位置中，重置电路1335 被配置以控制阻变元件1315,例如用于将电压或电流施加到阻变元件1315。在另一切换位 置中，阻变电路被配置以控制阻变元件1315,例如，用于将阻变元件设置成具有与输入电压 Vin相对应的电阻。
[0142] 在一些实施例中，操作中，在重置阻变元件的电阻之后，当施加输入电压Vin时，阻 变元件1315的电阻被设置成与电压Vin相互关联的电阻Rrs。
[0143] 图13C示出了电路1305的简化的电路图，电路1305能够使用阻变元件提供非易失 性比较器功能。电路1306可以包括阻变电路，例如具有阻变元件1315和电阻器1318的电路， 电阻器1318能够作为电流控制电路，用来控制经过阻变元件1315的电流。电路1306的操作 可以与前面的电路1305类似。
[0144] 在一些实施例中，提供了比较器电路，比较器电路基于阻变元件的设置阈值。当输 入电压(在幅值方面)大于阻变元件的设置阈值电压时，可以发生电压转变，导致在输入电 压和设置阈值电压之间的比较器功能。
[0145] 图14A-图14B说明了根据一些实施例的非易失性比较器电路的响应。输出电阻R或 输出电压Vout被示出为输入电压Vin的函数。响应曲线具有比较器形式，在输入电压的设置 电压下，在输出电压的HRS和LRS值之间转换。
[0146] 图15A-图15B说明了根据一些实施例的用于形成和操作具有阻变元件的非易失性 比较器电路的其它流程图。图15A示出了具有阻变元件的非易失性比较器电路的形成。比较 器电路可操作地接受输入电压，并且生成具有比较器曲线的输出电压。
[0147] 操作1500形成非易失性比较器电路。非易失性比较器电路可包括阻变元件和重置 电路。重置电路可操作地将阻变电路中的阻变元件重置至高的电阻状态。阻变电路可操作 以响应于输入电压Vin生成输出电压Vout。也可以包括切换电路，以在重置电路和阻变电路 之间切换对阻变元件的控制。
[0148] 非易失性比较器电路可作为比较器电路操作，例如包括取样输入电压和生成具有 比较器响应曲线的输出电压的功能。
[0149] 图15B示出了具有阻变元件的非易失性比较器电路的操作。输入电压被施加到比 较器电路，比较器电路能够被用来生成输入电压和阻变元件的设置阈值电压之间的比较器 输出。
[0150] 操作1530提供具有阻变电路和重置电路的电路。电路可以是非易失性比较器电 路。操作1540重置阻变电路，例如将重置电压施加到阻变元件以使阻变元件转变至高电阻 状态。可以进行可选的切换操作，以将对阻变元件的控制转换至重置电路。
[0151] 操作1540将输入电压施加到阻变元件以生成输入电压和阻变元件的设置阈值电 压之间的比较器输出。可以进行可选的切换操作，以将对阻变元件的控制转换至阻变电路。 在一些实施例中，切换操作可以进行一次。在一些实施例中，切换操作可以是循环的。
[0152] 在一些实施例中，可以包括阈值设置电路以改变比较器电路的设置或重置阈值。 由于可以通过之前的重置或设置操作分别改变设置或重置阈值，因此阈值设置电路可以与 可控重置电路相似。
[0153] 图16A-图16B说明了根据一些实施例的具有重置电路和阈值设置电路的非易失性 比较器电路的示意图。图16A示出了电路1600的简化框图，电路1600能够使用阻变元件提供 非易失性比较器功能。电路1600可以包括阻变电路1610,例如具有阻变元件的电路。阻变电 路1610还可以包括电流控制电路以控制经过阻变元件的电流。阻变电路1610可操作地接受 输入电压Vin，并且提供与输入信号Vin相对应的输出响应Vout。
[0154] 电路1600可以包括重置电路1630,重置电路1630可操作地重置阻变元件的电阻状 态。因此，可以包括重置电路以在施加输入电压之前重置阻变元件，例如，将阻变元件置于 高电阻状态(低电导率状态）中。
[0155] 电路1600可包括阈值设置电路1640，阈值设置电路1640可操作地修改阻变电路 1610的设置阈值，例如，改变阻变元件从HRS转换至LRS时的电压。阈值设置电路1640可以包 括电压源或电流源，电压源或电流源是连续的或脉冲的，并且可以向阻变元件提供信号以 生成与阻变元件的电阻的值相对应的电压或电流。
[0156] 在一些实施例中，在将阻变电路重置到高电阻状态之后，当施加输入电压Vin时， 阻变电路1610能够生成输出电压响应Vout，输出电压响应Vout表示与阻变元件的设置电压 的比较器信号。
[0157] 图16B示出了电路1605的简化电路图，电路1605能够使用阻变元件提供非易失性 比较器功能。电路1605可以包括阻变电路，例如，具有阻变元件1615和晶体管1617(或电阻 器，未示出）的电路，晶体管1617作为电流控制电路，用来控制经过阻变元件1615的电流。阻 变电路可操作地接受输入电压Vin以将阻变元件的电阻设置成与输入信号Vin相对应，例如 为输入信号Vin的函数。
[0158] 电路1605可包括重置电路1635,重置电路1635能够重置阻变元件1615。重置电路 1635可包括电压源1637或1638。可以包括一组开关1680A和1680B以在阻变电路(包括Vin和 晶体管1617)和重置电路1635之间切换阻变元件1615。
[0159] 电路1605可包括阈值设置电路1635,阈值设置电路1635能够修改阻变元件1615的 设置阈值。阈值设置电路1635可包括电压源1637或1638。可以包括一组开关1680A和1680B 以在阻变电路(包括Vin和晶体管1617)和阈值设置电路1635之间切换阻变元件1615。
[0160] 在一些实施例中，操作时，阻变元件的设置阈值被修改成希望的值。阻变元件还被 重置至高电阻状态。然后当施加输入电压Vin时，输出电压可以被生成，输出电压具有输入 电压和设置阈值电压之间的比较形式。
[0161] 图17说明了根据一些实施例的非易失性比较器电路的响应。输出电压Vout被示出 为输入电压Vin的函数。响应曲线具有比较器形式，在设置阈值电压下，在零和Vm之间转换。 示出了不同的设置阈值电压Vsetl、Vset2、和Vset3,表示具有不同设置阈值操作的不同响 应曲线。
[0162] 图18A-图18B说明了根据一些实施例的用于形成和操作具有阻变元件的非易失性 比较器电路的流程图。图18A示出了具有阻变元件的非易失性比较器电路的形成。比较器电 路可操作地接受输入电压，并且生成具有比较器曲线的输出电压。
[0163] 操作1800形成非易失性比较器电路。非易失性比较器电路可包括阻变电路，重置 电路，和设置阈值电路。阻变电路可以操作以响应于输入电压Vin生成电阻Rrs。重置电路可 操作地将阻变元件重置至高电阻状态。设置阈值电路可操作地修改阻变元件的设置阈值电 压。还可以包括切换电路以在重置电路、阈值设置电路和阻变电路之间切换对阻变元件的 控制。
[0164] 非易失性比较器电路可作为比较器电路操作，例如，包括取样输入电压和生成具 有比较器响应曲线的输出电压的功能。
[0165] 图18B示出了具有阻变元件的非易失性比较器电路的操作。输入电压被施加到比 较器电路，比较器电路可以被用来生成输入电压和阻变元件的重置阈值电压之间的比较器 输出。
[0166] 操作1830提供具有阻变电路、重置电路和阈值设置电路的电路。电路可以是非易 失性比较器电路。
[0167] 操作1840设置，例如修改用于阻变元件的阈值电压。可以在阈值设置操作之前，进 行可选的切换操作来将对阻变元件的控制转换至设置阈值电路。
[0168] 操作1850重置阻变电路的电阻，从而将阻变元件置于高电阻状态。可以进行可选 的切换操作，以将对阻变元件的控制转换至重置电路。
[0169] 操作1860将输入电压施加到阻变元件以生成输出电压，输出电压是由于输入电压 和设置阈值电压之间的比较产生的。可以进行可选的切换操作以将对阻变元件的控制转换 至阻变电路。
[0170] 在一些实施例中，切换操作可以进行一次或是循环的。例如，可以进行一次阈值设 置操作，并且重置操作可以是循环的（例如在生成输出电压之前）。
[0171] 在一些实施例中，提供了比较器电路，比较器电路基于阻变元件的重置阈值。当输 入电压(在幅值方面)大于阻变元件的重置阈值电压时，可以发生电压转变，从而引起输入 电压和重置阈值电压之间的比较器功能。
[0172]图19A-图19B说明了根据一些实施例的非易失性比较器电路的响应。输出电阻R或 输出电压Vout被示出为输入电压Vin的函数。响应曲线具有比较器形式，在输入电压的重置 电压下，从输出电压的LRS值和HRS值转换。
[0173]图20A-图20B说明了根据一些实施例的具有重置电路和变换器电路的非易失性比 较器电路的示意图。图20A示出了电路2000的简化框图，电路2000能够使用阻变元件提供非 易失性比较器功能。电路2000可以包括阻变电路2010，例如具有阻变元件的电路。阻变电路 2010还可以包括电流控制电路以控制经过阻变元件的电流。阻变电路2010可操作地接受输 入电压Vin，并且提供与输入信号Vin相对应的输出响应Vout。
[0174] 电路2000可以包括重置电路2030,重置电路2030可操作地重置阻变元件的电阻状 态。因此，可以包括重置电路以在施加输入电压之前设置阻变元件，例如将阻变元件置于低 电阻状态。
[0175] 电路2000可以包括变换器电路2050,变换器电路2050可操作地将非易失性电阻值 变换成任何希望的输出。例如，具有电流源的变换器电路可以耦接至阻变元件以生成输出 电压，例如将输出电阻变换成输出电压。
[0176] 在一些实施例中，在将阻变电路重置至低电阻状态之后，当施加输入电压Vin时， 阻变电路2010能够生成输出电阻响应Rrs，输出电阻响应Rrs能够被变换成输出电压Vout， 输出电压Vout表示与阻变元件的重置电压的比较器信号。
[0177] 图20B示出了电路2005的简化电路图，电路2005能够使用阻变元件提供非易失性 比较器功能。电路2005可以包括阻变电路，例如具有阻变元件2015和晶体管2017(或电阻 器，未示出）的电路，晶体管2017作为电流控制电路，用来控制经过阻变元件2015的电流。阻 变电路可操作地接受输入电压Vin以将阻变元件2015的电阻设置成与输入信号Vin相对应， 例如作为输入信号Vin的函数。
[0178] 电路2005可以包括重置电路2035,重置电路2035能够重置阻变元件2015。重置电 路2035可以包括电压源2037或2038。可以包括一组开关2080A和2080B以使阻变元件2015在 阻变电路(包括Vin和晶体管2017)和重置电路2035之间切换。
[0179] 电路2005可以包括变换器电路2055,变换器电路2055可以将非易失性电阻值变换 成任何希望的输出。变换器电路2055可以包括电压源2057或2058。可以包括一组开关2080A 和2080B，以使阻变元件2015在阻变电路(包括Vin和晶体管2017)和变换器电路2055之间切 换。
[0180] 在一些实施例中，操作中，阻变元件的重置阈值被修改成希望的值。阻变元件被重 置至低电阻状态。然后当施加输入电压Vin时，可以生成输出电压，输出电压具有输入电压 和重置阈值电压之间的比较形式。
[0181] 图21A和图21B说明了根据一些实施例的非易失性比较器电路的响应。在图21A中， 输出电阻Rrs被示出为输入电压Vin的函数。响应曲线显示了阻变元件的重置转变，即在重 置阈值电压下从LRS转换至HRS。在图21B中，输出电压Vout被示出为输入电压Vin的函数。响 应曲线具有比较器形式，在重置阈值电压下在零和Vm之间转换。电压响应可以是由变换器 电路产生的，变换器电路将电阻响应Rrs变换成电压响应Vout。
[0182] 图22A-图22B说明了根据一些实施例的用于形成和操作具有阻变元件的非易失性 比较器电路的流程图。图22A示出了具有阻变元件的非易失性比较器电路的形成。比较器电 路可操作地接受输入电压，并且生成具有比较器曲线的输出电压。
[0183] 操作2200形成非易失性比较器电路。非易失性比较器电路可以包括阻变电路、重 置电路和变换器电路。重置电路可操作地将阻变电路中的阻变元件设置成低电阻状态。阻 变电路可操作以响应于输入电压Vin生成电阻输出Rrs。变换器电路可操作地将电阻响应变 换成电压响应。还可以包括切换电路，以在重置电路、变换器电路和阻变电路之间切换对阻 变元件的控制。
[0184] 非易失性比较器电路可作为比较器电路操作，例如包括取样输入电压和生成具比 较器响应曲线的输出电压的功能。
[0185] 图22B示出了具有阻变元件的非易失性比较器电路的操作。输入电压被施加到比 较器电路，比较器电路能够用来生成输入电压和阻变元件的重置阈值电压之间的比较器输 出。
[0186] 操作2230提供具有阻变电路、重置电路和变换器电路的电路。电路可以是非易失 性比较器电路。操作2240重置阻变电路，例如将设置电压施加到阻变元件以使阻变元件转 变至低电阻状态。可以进行可选的切换操作以将对阻变元件的控制转换至重置电路。
[0187] 操作2250将输入电压施加到阻变元件以生成输入电压和阻变元件的设置阈值电 压之间的比较器输出。可以进行可选的切换操作，以将对阻变元件的控制转换至阻变电路。 在一些实施例中，切换操作可以进行一次。在一些实施例中，切换操作可以是循环的。
[0188] 操作2260将电阻输出变换成电压输出。可以进行可选的切换操作以将对阻变元件 的控制转换至变换器电路。在一些实施例中，切换操作可以进行一次。在一些实施例中，切 换操作可以是循环的。
[0189] 在一些实施例中，可以包括阈值设置电路以改变比较器电路的设置或重置阈值。 由于可以通过之前的重置或设置操作分别改变设置或重置阈值，因此阈值设置电路可以与 可控重置电路相似。
[0190]图23A-图23B说明了根据一些实施例的具有重置电路、变换器电路和阈值设置电 路的非易失性比较器电路的示意图。图23A示出了电路2300的简化框图，电路2300能够使用 阻变元件提供非易失性比较器功能。电路2300可以包括阻变电路2310,例如具有阻变元件 的电路。阻变电路2310还可以包括电流控制电路，以控制经过阻变元件的电流。阻变电路 2310可操作地接受输入电压Vin，并且提供与输入信号Vin相对应的输出响应Vout。
[0191] 电路2300可以包括重置电路2330,重置电路2330可操作地重置阻变元件的电阻状 态。因此，可以包括重置电路以在施加输入电压之前重置阻变元件，例如将阻变元件置于高 电阻状态(低电导率状态）。
[0192] 电路2300可包括阈值设置电路2340,阈值设置电路2340可操作地修改阻变电路 2310的设置阈值，例如改变阻变元件从HRS转换至LRS时的电压。阈值设置电路2340可包括 电压源或电流源，电压源或电流源是连续的或脉冲的，并且可以向阻变元件提供信号以生 成与阻变元件的电阻的值相对应的电压或电流。
[0193] 电路2300可以包括变换器电路2350,变换器电路2350能够将非易失性电阻值变换 成任何希望的输出。
[0194] 在一些实施例中，设置阈值电压被修改成希望的参考电压值。在将阻变电路重置 为低电阻状态之后，当施加输入电压Vin时，阻变电路2310能够生成输出电压响应Vout，输 出电压响应Vout表示与阻变元件的重置电压的比较器信号。
[0195] 图23B示出了电路2305的简化电路图，电路2305能够使用阻变元件提供非易失性 比较器功能。电路2305可以包括阻变电路，例如具有阻变元件2315和晶体管2317(或电阻 器，未示出）的电路，晶体管2317作为电流控制电路，用来控制经过阻变元件2315的电流。阻 变电路可操作地接受输入电压Vin以将阻变元件2315的电阻设置成与输入信号Vin相对应， 例如作为输入信号Vin的函数。
[0196] 电路2305可包括重置电路2335,重置电路2335能够设置阻变元件2315。重置电路 2335可包括电压源2337或2338。可以包括一组开关2380A和2380B以使阻变元件2315在阻变 电路(包括Vin和晶体管2317)和重置电路2335之间切换。
[0197] 电路2305可包括阈值设置电路2335,阈值设置电路2335能够修改阻变元件2315的 重置阈值。阈值设置电路2335可包括电压源2337或2338。可以包括一组开关2380A和2380B 以使阻变元件2315在阻变电路(包括Vin和晶体管2317)和阈值设置电路2335之间切换。
[0198] 电路2305可包括变换器电路2355,变换器电路2355可将非易失性电阻值变换成任 何希望的输出。变换器电路2355可包括电压源2357或2358。可包括一组开关2380A和2380B 以使阻变元件2315在阻变电路(包括Vin和晶体管2317)和变换器电路2355之间切换。
[0199] 在一些实施例中，操作中，阻变元件的重置阈值可以被修改为希望的值。还可以将 阻变元件设置为低电阻状态。然后当施加输入电压Vin时，可以生成输出电阻，输出电阻可 以被变换成输出电压，输出电压具有输入电压和重置阈值电压之间的比较形式。
[0200] 图24说明了根据一些实施例的非易失性比较器电路的响应。输出电压Vout被示出 为输入电压Vin的函数。响应曲线具有比较器形式，在重置阈值电压下从Vm转换至零。示出 了不同的重置阈值电压Vresetl、Vreset2、和Vreset3,表示具有不同重置阈值操作的不同 响应曲线。
[0201] 图25A-图25B示出了根据一些实施例的用于形成和操作具有阻变元件的非易失性 比较器电路的流程图。图25A示出了具有阻变元件的非易失性比较器电路的形成。比较器电 路可操作地接受输入电压，并且生成具有比较器曲线的输出电压。
[0202] 操作2500形成非易失性比较器电路。非易失性比较器电路可包括阻变电路、重置 电路、变换器电路和设置阈值电路。阻变电路可操作以响应于输入电压Vin生成电阻Rrs。重 置电路可操作地将阻变元件重置至高电阻状态。设置阈值电路可操作地修改阻变元件的设 置阈值电压。变换器电路可操作地将电阻值变换为电压或电流值。还可以包括切换电路，以 在重置电路、变换器电路、阈值设置电路和阻变电路之间切换对阻变元件的控制。
[0203] 非易失性比较器电路可作为比较器电路操作，例如包括取样输入电压和生成具有 比较器响应曲线的输出电压的功能。
[0204] 图25B示出了具有阻变元件的非易失性比较器电路的操作。输入电压被施加到比 较器电路，比较器电路能够用来生成输入电压和阻变元件的重置阈值电压之间的比较器输 出。
[0205] 操作2530提供具有阻变电路、重置电路、变换器电路和阈值设置电路的电路。电路 可以是非易失性比较器电路。
[0206] 操作2540设置，例如修改用于阻变元件的重置阈值电压。可以在阈值设置操作之 前进行可选的切换操作，以将对阻变元件的控制转换至设置阈值电路。
[0207] 操作2550重置阻变电路的电阻，从而将阻变元件置于低电阻状态。可以进行可选 的切换操作以将对阻变元件的控制转换至重置电路。
[0208]操作2560将输入电压施加到阻变元件以生成输出电阻，输出电阻是由于阻变元件 的转换产生的。可以进行可选的切换操作以将对阻变元件的控制转换至阻变电路。
[0209] 操作2570将输出电阻变换成希望的值，例如输出电压。可以进行可选的切换操作 以将对阻变元件的控制转换至变换器电路。
[0210] 在一些实施例中，切换操作可以进行一次或是循环的。例如，阈值设置操作可以进 行一次，并且重置操作可以是循环的（例如在生成输出电压之前）。
[0211] 尽管出于清楚理解的目的在一些细节中描述了上述示例，但是本发明并不限于提 供的细节。存在实施本发明的很多替代方式。公开的示例是解说性的而非限制性的。
【主权项】
1. 一种电路，所述电路包括： 阻变电路， 其中所述阻变电路包括阻变元件， 其中所述阻变元件包括高电阻状态和低电阻状态； 变换器电路， 其中所述变换器电路可操作地提供与所述阻变元件成比例的电压。2. 根据权利要求1所述的电路，其中，所述阻变电路还包括电流控制装置。3. 根据权利要求2所述的电路，其中，所述电流控制装置包括电阻器或晶体管。4. 根据权利要求1所述的电路，其中，所述电路将输入电压接受到所述阻变元件的第一 端子端，其中所述电路在所述阻变元件的第二端子端处提供输出电压。5. 根据权利要求1所述的电路，还包括切换电路，其中所述切换电路被配置成允许所述 变换器电路连接至所述阻变元件。6. 根据权利要求1所述的电路，其中，所述变换器电路包括电流源，所述电流源提供通 过所述阻变元件的电流。7. 根据权利要求1所述的电路，其中，所述阻变元件被配置成提供非反相施密特触发器 功能。8. 根据权利要求1所述的电路，其中，所述阻变元件被配置成提供反相施密特触发器功 能。9. 一种比较器电路，所述比较器电路包括： 阻变电路， 其中所述阻变电路包括阻变元件， 其中所述阻变元件包括高电阻状态和低电阻状态， 其中所述阻变元件被配置成在设置电压下从所述高电阻状态转变至所述低电阻状态； 重置电路， 其中所述重置电路可操作地将所述阻变元件置于所述高电阻状态； 阈值设置电路， 其中所述阈值设置电路可操作地改变所述设置电压。10. 根据权利要求9所述的比较器电路，其中，所述阻变电路还包括电流控制装置。11. 根据权利要求10所述的比较器电路，其中，所述电流控制装置包括电阻器或晶体 管。12. 根据权利要求9所述的比较器电路，其中，所述比较器电路将输入电压接受到所述 阻变元件的第一端子端，其中所述比较器电路在所述阻变元件的第二端子端处提供输出电 压。13. 根据权利要求9所述的比较器电路，所述比较器电路还包括切换电路，其中所述切 换电路被配置成允许所述重置电路或所述阈值设置电路连接至所述阻变元件。14. 根据权利要求9所述的比较器电路，其中，所述重置电路包括电压源或电流源，所述 电压源或电流源提供通过所述阻变元件的电流。15. -种比较器电路，所述比较器电路包括： 阻变电路， 其中所述阻变电路包括阻变元件， 其中所述阻变元件包括高电阻状态和低电阻状态， 其中所述阻变元件被配置成在设置电压下从所述低电阻状态转变至所述高电阻状态； 重置电路， 其中所述重置电路可操作地将所述阻变元件置于所述低电阻状态； 变换器电路， 其中所述变换器电路可操作地提供与所述阻变元件成比例的电压； 阈值设置电路， 其中所述阈值设置电路可操作地改变所述设置电压。16. 根据权利要求15所述的比较器电路，其中，所述阻变电路还包括电流控制装置，其 中所述电流控制装置包括电阻器或晶体管。17. 根据权利要求15所述的比较器电路，其中，所述比较器电路将输入电压接受到所述 阻变元件的第一端子端，其中所述比较器电路在所述阻变元件的第二端子端处提供输出电 压。18. 根据权利要求15所述的比较器电路，所述比较器电路还包括切换电路，其中所述切 换电路被配置成允许所述重置电路、所述变换器电路、或所述阈值设置电路连接至所述阻 变元件。19. 根据权利要求15所述的比较器电路，其中，所述变换器电路包括电流源，所述电流 源提供通过所述阻变元件的电流。20. 根据权利要求15所述的比较器电路，其中，所述重置电路包括电压源或电流源，所 述电压源或电流源提供通过所述阻变元件的电流。
【文档编号】H03K3/037GK105900338SQ201480072914
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2014年12月16日
【发明人】F·纳尔迪, 王云
【申请人】分子间公司