专利名称：一种阻变存储单元读出放大电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及集成电路设计领域阻变存储单元阵列外围的读出放大电路，具体涉及 一种用直流增益变化来采样阻值变化，用可控电容分压器来产生参考电压的读出放大电 路。
背景技术：
非易失性存储器是一种能在掉电后仍保存原有存储信息的存储器，在现代电子 系统中得到了广泛的运用。非易失性存储器种类繁多，阻变存储器(Resistive Random Access Memory,RRAM)是其中的一种。由于阻变存储器具有超高的存储密度、结构简单、速 度快和非易失性的特点，应用前景十分广阔。阻变存储单元阵列是阻变存储器的核心，由大量的阻变存储单元按照一定的空间 结构组成。交叉电极结构是一种典型的阻变存储单元阵列结构，其集成度较高、兼容主流的 微电子工艺。交叉电极结构为两层相互垂直交叉的平行纳米线，形成一个网格。在每个交 叉点处形成一个阻变存储单元，阻变存储单元以高阻态和低阻态分别表示逻辑“0”和“1”。
图1是交叉电极结构阻变存储单元阵列物理结构示意图。阻变存储单元由顶电极、底电极 和中间插入的阻变材质组成，图2是其横截面示意图。图3为阻变存储单元的电压和电流 关系示意图，其中虚线为高阻态存储单元的I-V曲线，实线为低阻态存储单元的I-V曲线。 阻变存储单元两端的电压达到或超过高阻态转换电位A点电压值时，阻变存储单元转变为 高阻态，阻变存储单元两端的电压达到或超过低阻态转换电位B点电压值时，转变为低阻 态。阻变存储单元两端的电压在A点电压值和B点电压值之间时阻态不发生转变。利用阻 变存储单元的这个特性，通过改变外加电压的大小来改变阻变存储单元的阻态从而实现信 息的写入；读取数据时，在阻变存储单元两个电极上施加读取电压，通过检测阻变存储单元 阻态，实现信息的读取。为了检测分辨阻变存储单元的阻态，将流过阻变阻变存储单元的电 流信号转变为电压信号进行读出放大是一种有效的方式。图4是一种典型的读出放大结构，WL1为阻变存储阵列的第一字线，WL2为阻变存 储阵列的第二字线，……，ffh为阻变存储阵列的第j字线，……，WLp为阻变存储阵列的 第P字线，BL1为阻变存储阵列的第一位线，BL2为阻变存储阵列的第二位线，……，BLi为 阻变存储阵列的第i位线，……，BLn为阻变存储阵列的第N位线，N为阻变存储单元阵列 的位线数目，P为阻变存储阵列字线的数目，P和N均为正整数。该读出放大结构由比较读 出级、参考电压产生电路两部分组成。其中比较读出级由N个读出位组成，分别对应阻变 存储单元阵列的N个位线，即第一读出位对应第一位线，第二读出位对应第二位线，以此类 推。每个读出位均由负载电阻、电压比较器组成，第一读出位的负载电阻的一端连接阻变存 储单元阵列的第一位线和第一读出位的敏感放大器的正向输入端，另一端接地，第一读出 位中的敏感放大器的反相输入端连接参考电压产生电路的输出端VMf，第一读出位的输出 Voutl连接到外部输出；第二读出位至第N读出位中负载电阻和敏感放大器的连接方式与第 一读出位类似，即每个读出位的负载电阻的一端与该读出位对应的位线和该读出位中的敏感放大器的正向输入端相连，另一端接地，每个读出位的敏感放大器的反相输入端连接参 考电压产生电路的输出端Vref，每个读出位的输出端接外部输出。参考电压产生电路由M个 分压元件和运算放大器组成，M为正整数，每个分压元件均为电阻，M个分压元件采用串连 方式连接，每两个分压元件的结合部形成一个分压点，分压点的电位可计算得出，根据电路 的需要，选择合适的分压点(图中以A点表示)。运算放大器的正向输入端连接一个分压点 如A点，运算放大器的输出端VMf与其反相输入端相连形成一个电压跟随器，用以提高驱动 能力。参考电压产生电路的输出端Vref连接到比较读出级中每个读出位的敏感放大器的反 相输入端，用以提供参考电压。这种典型的读出放大电路对阻变存储单元Mitl进行读操作时，在第一字线WL1上加 读取电压，第一位线BL1接地，第一读出位的电压比较器将第一读出位的负载电阻上的分压 与参考电压产生电路的输出电压比较，当负载电阻上的分压大于时，放大产生一个 二进制输出信号1，即V。utl为1，当负载电阻上的分压小于VMf时，放大产生一个二进制输出 信号0，即V。utl为0，从而实现对阻变存储单元Hiici阻态的读取。其他存储单元的读出方式 与此相同。然而，对于图4的读出放大电路而言，有几个方面的不足将严重影响读出放大电 路的性能1.无法消除由图1所示的交叉电极结构产生的干扰电流的影响，阻变存储单元阵 列容量的增大受到了限制。由于阻变存储单元本身的电学特性和交叉电极结构的特性，使 得采用如图4的读出放大电路时无法消除阻变存储单元阵列的位线之间的干扰电流，在阻 变存储单元阵列的字线和位线数量增加时，干扰电流将随之增大，从而对阻变存储单元阵 列容量的增大造成了限制。其具体产生原因如图6所示，若rmo单元为高阻态，rn^rn^rn^ 三个单元都为低阻态，在第一字线WL1上加读取电压，第一位线BL1接地，读Mitl单元的值 时，虚线标明的路径表示流经Mltl的电流，实线标明的路径为潜通路，流过潜通路的为干扰 电流。随着阻变存储单元阵列容量的增大，潜通路的数量增加，干扰电流将逐渐趋于严重， 导致读出放大电路不能正确地识别阻变存储单元的阻态。2.读出放大电路的直流功耗较大。由于比较读出级的各个读出位中使用负载电阻 作为检测阻变存储单元阻态的元件，从而导致从阻变存储单元阵列的字线到地之间存在直 流通路，当阻变存储单元阵列的位线数量增多时导致读操作的直流功耗随之增大。同时，由 于参考电压产生电路中使用电阻作为分压元件，导致输入电压Vinput对地存在直流通路，产 生了较大的直流功耗。以上原因导致读出放大电路整体的直流功耗较大。3.参考电压产生电路的精确性受到影响。参考电压产生电路的输出电压Vref的精 度对其中的分压元件的匹配精度有较强的依赖性，在集成电路的制备工艺过程中，电阻不 易实现精确的匹配，由于参考电压产生电路中使用了电阻作为分压元件，从而降低了参考 电压产生电路的精确性。由于以上缺点的存在，需要对原有的阻变存储单元读出放大电路加以改进，以降 低由交叉电极结构和阻变存储单元本身的电学特性产生的干扰电流的影响，进一步降低原 有读出放大电路的直流功耗，同时提高参考电压产生电路的精确性。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种新型阻变存储单元读出放大电路，降低由交叉电极结构阻变存储单元阵列本身的电学特性带来的干扰电流对读操作的影响，降低读出放 大电路的整体直流功耗，提高参考电压产生电路的精确性。本发明的技术方案是本发明阻变存储单元读出放大电路也由比较读出级和参考电压产生电路组成。比 较读出级由N个(N为阻变存储单元阵列位线的数目)读出位组成，分别与阻变存储单元阵 列位线一一对应，即第i读出位对应第i位线BLi, 1彡i彡N，。每个读出位由一个敏感放 大器、一个反馈电阻、一个电压比较器组成。在第i读出位中，敏感放大器的正向输入端接 地，反相输入端与第i位线BLi相连，敏感放大器的输出端Vtji通过反馈电阻连接到该敏感 放大器的反相输入端，电压比较器的反相输入端与敏感放大器的输出端Vtji相连，电压比较 器的正向输入端与参考电压产生电路的输出端Vref相连，电压比较器的输出端V。uti作为第 i读出位的输出端连接到外部输出。参考电压产生电路由M个(M为正整数)分压元件和一个运算放大器组成，每个分 压元件均为电容。M个分压元件按照如下方式串连第一分压元件的输入端IN1接地，第一 分压元件的输出端OUT1连接到第二分压元件的输入端m2，第二分压元件的输出端OUT2连 接到第三分压元件的输入端IN3,以此类推，第j (1彡j彡M-1)分压元件的输出端OUTj连 接到第j+Ι分压元件的输入端1 +1，第M个分压元件的输出端与基准电压源Vinput相连。在 第一分压元件的输出端OUT1与第二分压元件的输入端m2接合部产生第一分压点，以此类 推，在第j分压元件的输出端OUL与第j+Ι分压元件的输入端INf1产生第j分压点，即在 每两个分压元件的接合部产生一个分压点。这些分压元件对基准电压源的电压Vinput进行 分压，第j分压点的电位、满足
权利要求
1.一种阻变存储单元读出放大电路，它由比较读出级和参考电压产生电路组成，比较 读出级由N个读出位组成，N个读出位与阻变存储单元阵列位线一一对应，即第i读出位对 应第i位线BLi, 1彡i彡N，N为阻变存储单元阵列位线的数目；参考电压产生电路由M个 分压元件和一个运算放大器组成，M为正整数；其特征在于所述比较读出级中的每个读出位由一个敏感放大器、一个反馈电阻、一个电压比较器 组成；在第i读出位中，敏感放大器的正向输入端接地，反相输入端与第i位线BLdH连，敏 感放大器的输出端Vtji通过反馈电阻连接到该敏感放大器的反相输入端，电压比较器的反 相输入端与敏感放大器的输出端Vtji相连，电压比较器的正向输入端与参考电压产生电路 的输出端相连，电压比较器的输出端V。uti作为第i读出位的输出端连接到外部输出；所述参考电压产生电路中的每个分压元件均为电容，M个分压元件按照如下方式串连 第一分压元件的输入端IN1接地，第j分压元件的输出端OUL连接到第j+Ι分压元件的输 入端1 +1，第M个分压元件的输出端与基准电压源Vinput相连，1彡j彡M-1，在每两个分压 元件的接合部产生一个分压点，即在第j分压元件的输出端OUL与第j+i分压元件的输入 端INp1产生第j分压点；所述参考电压产生电路中的运算放大器的正向输入端与第j分压点相连，运算放大器 的输出端连接到该运算放大器的反相输入端，构成一个电压跟随器，运算放大器的输出 端Vref作为参考电压产生电路的输出端与比较读出级中每个读出位中电压比较器的正向输 入端相连。
2.如权利要求1所述的一种阻变存储单元读出放大电路，其特征在于所述参考电压产 生电路中分压点j满足J = :，公式四Vh为阻变存储单元位于高阻态时读出位中敏感放大器输出端Vtji对应的电压值，Vl为 阻变存储单元位于低阻态时读出位中敏感放大器输出端Vtji对应的电压值，T为电压分辨精 度，电压分辨精度指一个分压元件所分的最小电压。
3.如权利要求1所述的一种阻变存储单元读出放大电路，其特征在于所述参考电压产 生电路中分压元件的个数M满足M = (^)-Vmput 公式二Vinput为基准电压源的电压，T为电压分辨精度。
全文摘要
本发明公开了一种阻变存储单元读出放大电路，目的是提供一种新型阻变存储单元读出放大电路，降低干扰电流对读操作的影响，降低整体直流功耗，提高参考电压产生电路的精确性。本发明由比较读出级和参考电压产生电路组成，比较读出级由N个读出位组成，N个读出位与阻变存储单元阵列位线一一对应，参考电压产生电路由M个分压元件和一个运算放大器组成；每个读出位由一个敏感放大器、一个反馈电阻、一个电压比较器组成；参考电压产生电路中的每个分压元件均为电容，电容采用串联的方式，运算放大器的正向输入端与一个分压点相连。采用本发明可降低误读率，降低整体直流功耗，提高参考电压产生电路输出参考电压的精度。
文档编号G11C7/06GK102122525SQ20111009373
公开日2011年7月13日 申请日期2011年4月14日 优先权日2011年4月14日
发明者刘刚, 励楠, 孙鹤, 张超, 方粮, 段志奎, 池雅庆, 隋兵才, 马卓 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学