參考電阻優化的相變存儲器讀電路及參考電阻優選方法
【專利摘要】本發明提供一種參考電阻優化的相變存儲器讀電路及參考電阻優選方法，所述讀電路包括：參考模塊、參考相變存儲單元寫電路、參考相變存儲單元電壓嵌位、電流乘積平方根電路及電流靈敏放大器。本發明根據相變存儲單元的讀出原理，通過對兩個參考相變存儲單元分別進行RESET及SET操作得到高低參考電阻，對高低參考阻值進行乘積平方根運算后得到讀電路的參考阻值，使讀電路能夠適應不同的相變單元材料和不同的工藝條件，從而提高相變存儲器的數據讀出可靠性。
【專利說明】參考電阻優化的相變存儲器讀電路及參考電阻優選方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種相變存儲器的讀出電路及方法，特別是涉及一種參考電阻優化的相變存儲器讀電路及參考電阻優選方法。
【背景技術】
[0002]相變存儲器(Phase Change Memory，PCM，PCRAM)利用相變材料的晶態和非晶態的特性來實現數據的存儲。這種相變材料，如Ge-Sb-Tb (GST)，是硫系化物的非晶半導體。相變單元使用電流加熱，使相變材料從非晶態轉化為結晶態，也就是相變材料從高阻狀態變為低阻狀態，這種操作稱之為:set ;或者相變材料從結晶態轉換為非結晶態，也就是相變材料從低阻狀態變為高阻狀態，這種操作稱之為reset。結晶態和非結晶態這兩種狀態可以分別表示“O”和“I”。由于其操作電壓低，讀取速度快，可以位操作，寫擦速度遠遠快于閃存，而且疲勞特性更優異，能夠實現上億次的循環擦寫，制造工藝簡單且與現在成熟的CMOS工藝兼容，能夠很容易將其存儲單元縮小至較小的尺寸，被認為最有可能在不遠的將來替代閃存(Flash)成為主流非易失性存儲器。
[0003]相變存儲器在進行讀操作時，通過位線給單元一個固定電流，該讀電流是足夠小的，產生的熱能保證相變材料的溫度始終低于結晶溫度，材料不發生相變。由于相變存儲器是通過多晶態(低阻)和非晶態(高阻)兩種狀態來存儲二進制信息的，所以根據存儲信息的不同即阻值的不同，在流過相同電流的情況下單元上的電壓是不同的，可以根據電壓的大小來判斷存儲信息，同樣在施加相同電壓的情況下單元上流過的電流是不同的，可以根據電流的大小來判斷存儲信息。一般來說會設定一個參考電阻值，給同樣的固定電流或電壓，得到一個參考電壓或電流，位線電壓/電流通過靈敏放大器與一個參考電壓/電流比較得到讀出數據。例如比較電壓時，當電壓小于參考電壓時讀出為O ;當電壓大于參考電壓時讀出為I。
[0004]一般來說，相變存儲器低阻狀態的電阻值為Ik至IOk歐姆數量級，高阻狀態的電阻值為幾十k至IM歐姆數量級。對于不同的相變單元材料和不同的工藝條件來說，若僅采用一個固定阻值作為參考電阻，需要多次試驗選取，且適應性低，會影響到讀出數據的準確性。
[0005]因此，如何優化選取讀電路的參考電阻值，使相變存儲器在不同的相變單元材料和不同的工藝條件下，能夠通過一個合理的電阻中間值作為參考電阻，穩定地讀出正確的數據，從而提高相變存儲器的數據讀出可靠性，成為本領域的技術人員亟待解決的問題。
【發明內容】
[0006]鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種參考電阻優化的相變存儲器讀電路及參考電阻優選方法，用于解決現有技術中存儲器參考電阻選取困難的問題。
[0007]為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種參考電阻優化的相變存儲器讀電路，包括:
[0008]參考模塊、參考相變存儲單元寫電路、參考相變存儲單元電壓嵌位、電流乘積平方根電路及電流靈敏放大器；
[0009]所述參考模塊包括用于代表相變存儲器的低電阻值的第一參考單元，以及用于代表相變存儲器的高電阻值的第二參考單元；
[0010]所述參考相變存儲單元寫電路用于提供所述第一參考單元及第二參考單元的SET及RESET操作；
[0011]所述參考相變存儲單元電壓嵌位用于提供所述第一參考單元及第二參考單元的電壓，以獲得流過已進行過SET或RESET操作的第一參考單元及第二參考單元的電流；
[0012]所述電流乘積平方根電路用于將流過已進行過SET或RESET操作的所述第一參考單元及第二參考單元的電流進行乘積平方根操作；
[0013]所述電流靈敏放大器用于比較流過參考模塊及相變存儲器中陣列相變存儲單元的電流值，從而讀出相變存儲器的存儲數據。
[0014]作為本發明的參考電阻優化的相變存儲器讀電路的一種優選方案，所述第一參考單元及第二參考單元均至少包括至少一個相變存儲單元，所述第一參考單元的相變存儲單元通過SET操作實現低電阻值，所述第二參考單元的相變存儲單元通過RESET操作實現高電阻值。
[0015]進一步地，所述第一參考單元及第二參考單元均至少包括兩個以上的相變存儲單元，所述第一參考單元由兩個以上的相變存儲單元通過SET操作后的平均值實現低電阻值，所述第二參考單元由兩個以上的相變存儲單元通過RESET操作后的平均值實現高電阻值。
[0016]作為本發明的參考電阻優化的相變存儲器讀電路的一種優選方案，所述參考相變存儲單元寫電路對于所述第一參考單元及第二參考單的寫頻率根據相變存儲器中的寫頻率進行調節。
[0017]作為本發明的參考電阻優化的相變存儲器讀電路的一種優選方案，所述參考相變存儲單元電壓嵌位的鉗位電壓依據所述第一參考單元及第二參考單元的電阻可調。
[0018]作為本發明的參考電阻優化的相變存儲器讀電路的一種優選方案，所述參考相變存儲單元電壓嵌位的嵌位電壓低于所述第一參考單元及第二參考單元的相變電壓。
[0019]本發明還提供一種相變存儲器讀電路參考電阻的優化方法，至少包括步驟:
[0020]對第一參考單元及第二參考單元進行寫操作分別獲得低電阻值及高電阻值；
[0021]將所述高電阻值及低電阻值進行乘積平方根來得到參考電阻值。
[0022]作為本發明的相變存儲器讀電路參考電阻的優選方法的一種優選方案，所述第一參考單元及第二參考單元均至少包括至少一個相變存儲單元，所述第一參考單元的相變存儲單元通過SET操作獲得低電阻值，所述第二參考單元的相變存儲單元通過RESET操作獲得高電阻值。
[0023]進一步地，所述第一參考單元及第二參考單元均至少包括兩個以上的相變存儲單元，所述第一參考單元由兩個以上的相變存儲單元通過SET操作后的平均值實現低電阻值，所述第二參考單元由兩個以上的相變存儲單元通過RESET操作后的平均值實現高電阻值。[0024]作為本發明的參考電阻優化的相變存儲器讀電路的一種優選方案，所述高電阻值及低電阻值的乘積平方根通過在固定電壓下的電流乘積平方根來實現。
[0025]作為本發明的參考電阻優化的相變存儲器讀電路的一種優選方案，通過比較所述電流乘積平方根及相變存儲器中陣列相變存儲單元的電流值，以讀出所述相變存儲器的存儲數據。
[0026]如上所述，本發明提供一種參考電阻優化的相變存儲器讀電路及參考電阻優選方法，包括:參考模塊、參考相變存儲單元寫電路、參考相變存儲單元電壓嵌位、電流乘積平方根電路及電流靈敏放大器；所述參考模塊包括用于代表相變存儲器的低電阻值的第一參考單元，以及用于代表相變存儲器的高電阻值的第二參考單元；所述參考相變存儲單元寫電路用于提供所述第一參考單元及第二參考單元的SET及RESET操作；所述參考相變存儲單元電壓嵌位用于提供所述第一參考單元及第二參考單元的電壓，以獲得流過已進行過SET或RESET操作的第一參考單元及第二參考單元的電流；所述電流乘積平方根電路用于將流過已進行過SET或RESET操作的所述第一參考單元及第二參考單元的電流進行乘積平方根操作；所述電流靈敏放大器用于比較流過參考模塊及相變存儲器中陣列相變存儲單元的電流值，從而讀出相變存儲器的存儲數據。本發明根據相變存儲單元的讀出原理，通過對兩個參考相變存儲單元分別進行RESET及SET操作得到高低參考電阻，對高低參考阻值進行乘積平方根運算后得到讀電路的參考阻值，使讀電路能夠適應不同的相變單元材料和不同的工藝條件，從而 提高相變存儲器的數據讀出可靠性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0027]圖1顯示為本發明的參考電阻優化的相變存儲器讀電路的電路結構示意圖。
[0028]圖2顯示為本發明的相變存儲器讀電路參考電阻的優化方法的步驟流程示意圖。
[0029]元件標號說明
[0030]11參考模塊
[0031]12參考相變存儲單元寫電路
[0032]13參考相變存儲單元電壓嵌位
[0033]14電流乘積平方根電路
[0034]15電流靈敏放大器
[0035]RrefL第一參考單元
[0036]Rrefj第二參考單元
[0037]Ini_write 參考相變存儲單元寫電路選通信號
[0038]Read_en讀使能
[0039]Vcref參考相變存儲單元嵌位電壓值
[0040]Vccell存儲陣列相變單元嵌位電壓值
[0041]Rcell存儲陣列相變單元
[0042]Read_out數據輸出
[0043]Sll~S12步驟I)~步驟2)
【具體實施方式】[0044]以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的【具體實施方式】加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基于不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。
[0045] 請參閱圖1~圖2。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態也可能更為復雜。
[0046]如圖1所示，本實施例提供一種參考電阻優化的相變存儲器讀電路，包括:
[0047]參考模塊11、參考相變存儲單元寫電路12、參考相變存儲單元電壓嵌位13、電流乘積平方根電路14及電流靈敏放大器15 ；
[0048]所述參考模塊11包括用于代表相變存儲器的低電阻值的第一參考單元R^，以及用于代表相變存儲器的高電阻值的第二參考單元RMf—H ；
[0049]所述參考相變存儲單元寫電路12用于提供所述第一參考單元及第二參考單元R,ef H的SET及RESET操作；
[0050]所述參考相變存儲單元電壓嵌位13用于提供所述第一參考單元RrefJ及第二參考單元R,ef H的電壓，以獲得流過已進行過SET或RESET操作的第一參考單元及第二參考單元Rref H的電流；
[0051]所述電流乘積平方根電路14用于將流過已進行過SET或RESET操作的所述第一參考單元及第二參考單元RMf—H的電流進行乘積平方根操作；
[0052]所述電流靈敏放大器15用于比較流過參考模塊11及相變存儲器中陣列相變存儲單元的電流值，從而讀出相變存儲器的存儲數據。
[0053]作為示例，所述第一參考單元及第二參考單元RMf H均至少包括至少一個相變存儲單元，所述第一參考單元的相變存儲單元通過SET操作實現低電阻值，所述第二參考單元&ef—H的相變存儲單元通過RESET操作實現高電阻值。進一步地，所述第一參考單元及第二參考單元RMf—H均可以至少包括兩個以上的相變存儲單元，所述第一參考單元由兩個以上的相變存儲單元通過SET操作后的平均值實現低電阻值，所述第二參考單元Rrefj由兩個以上的相變存儲單元通過RESET操作后的平均值實現高電阻值。
[0054]在本實施例中，為了簡化說明，所述第一參考單元Rm及第二參考單元RMf H僅分別采用一個參考相變存儲單元作為參考電阻，其中，第一參考單元Rmj代表低電阻，第二參考單元RMf—H代表高電阻。需要說明的是，由于相變存儲單元高、低電阻的阻值存在一定分布，但數量級相差不大，采用若干個單元求和平均能使高、低電阻的阻值更為準確。
[0055]作為示例，所述參考相變存儲單元寫電路12對于所述第一參考單元及第二參考單RMf—H的寫頻率根據相變存儲器中的寫頻率進行調節。
[0056]具體地，如圖1所示，在本實施例中，采用信號Ini_write對所述參考相變存儲單元寫電路12進行選通，選通的時間位于第一次上電以后，或者每隔一段特定的時間進行一次寫操作，對于所述第一參考單元RMf—H及第二參考單的寫頻率可以根據實際存儲器中的寫頻率進行調節，以不影響存儲器的正常讀寫工作為準。
[0057]作為示例，所述參考相變存儲單元電壓嵌位13的鉗位電壓依據所述第一參考單元及第二參考單元RMf—H的電阻可調。另外，所述參考相變存儲單元電壓嵌位13的嵌位電壓低于所述第一參考單元及第二參考單元RMf—H的相變電壓。
[0058]具體地,如圖1所示,在本實施例中，采用信號Read_en對所述參考相變存儲單元電壓嵌位13進行選通，基本與相變存儲器的讀使能信號保持同步，或稍早一些，以給予所述電流乘積平方根電路14充足的時間。Read_en與:[ni_write不能同時有效。Vgef為所述參考相變存儲單元電壓嵌位13所嵌位的電壓值，其值必須足夠低，以保證所述第一參考單元及第二參考單元RMf—H不發生相變，從而避免產生誤寫操作。 [0059]所述電流乘積平方根電路14用于將流過已進行過SET或RESET操作的所述第一參考單元及第二參考單元RMf—H的電流進行乘積平方根操作。
[0060]如圖1所示，在本實施例中，流過第一參考單元的電流為Iy且込=Vc ref/Rref_L;流過第二參考單元RrrfJ1的電流為IH，且Ih = Vc ref/RrefjO經過所述電流乘積平方根電路 14 運算后得到電流(IlIh)0-5 = Vc ref/(Rre^Rreo)0-5°
[0061]所述電流靈敏放大器15用于比較流過參考模塊11及相變存儲器中陣列相變存儲單元的電流值，從而讀出相變存儲器的存儲數據。
[0062]具體地，如圖1所示，在本實施例中，相變存儲器中存儲陣列相變單元上的嵌位電壓表示為Vc^11，存儲陣列單元的阻值表示為Rrell，那么流過存儲陣列單元的電流為V。。611/Rcell,所述電流靈敏放大器15將此電流與(IJh) °_5 = Vc_ref/(Rref_LRreo)°.5相比較，若V。—cell=Vc ref,那么轉變為Rcell與(Rref LRrefj) °_5相比較，從而讀出數據Read_out。以Rrefj代表所需要的參考電阻值，那么參考電阻值為Rrefjl = (R^Rrefjl)°_5，與本實施例的參考電阻優化的相變存儲器讀電路相符。此外，若Vc^11與V。存在一定已知的關系，也能同樣得到存儲數據。由于相變存儲單元高低阻的阻值一般相差幾個數量級，采用乘積平方根的方式能使數量級進行平均，得到合理的中間電阻值。
[0063]如圖2所示，本實施例還提供一種相變存儲器讀電路參考電阻的優化方法，至少包括步驟:
[0064]如圖2所示，首先進行步驟1)S11，對第一參考單元及第二參考單元進行寫操作分別獲得低電阻值及高電阻值；
[0065]如圖2所示，然后進行步驟2)S12，將所述高電阻值及低電阻值進行乘積平方根來得到參考電阻值。
[0066]作為示例，所述第一參考單元及第二參考單元均至少包括至少一個相變存儲單元，所述第一參考單元的相變存儲單元通過SET操作獲得低電阻值，所述第二參考單元的相變存儲單元通過RESET操作獲得高電阻值。
[0067]進一步地，所述第一參考單元及第二參考單元均可以至少包括兩個以上的相變存儲單元，所述第一參考單元由兩個以上的相變存儲單元通過SET操作后的平均值實現低電阻值，所述第二參考單元由兩個以上的相變存儲單元通過RESET操作后的平均值實現高電阻值。
[0068]作為示例，所述高電阻值及低電阻值的乘積平方根通過在固定電壓下的電流乘積平方根來實現。
[0069]作為示例，通過比較所述電流乘積平方根及相變存儲器中陣列相變存儲單元的電流值，以讀出所述相變存儲器的存儲數據。[0070]如上所述，本發明提供一種參考電阻優化的相變存儲器讀電路及參考電阻優選方法，包括:參考模塊11、參考相變存儲單元寫電路12、參考相變存儲單元電壓嵌位13、電流乘積平方根電路14及電流靈敏放大器15 ;所述參考模塊11包括用于代表相變存儲器的低電阻值的第一參考單元，以及用于代表相變存儲器的高電阻值的第二參考單元；所述參考相變存儲單元寫電路12用于提供所述第一參考單元及第二參考單元的SET及RESET操作；所述參考相變存儲單元電壓嵌位13用于提供所述第一參考單元及第二參考單元的電壓，以獲得流過已進行過SET或RESET操作的第一參考單元及第二參考單元的電流；所述電流乘積平方根電路14用于將流過已進行過SET或RESET操作的所述第一參考單元及第二參考單元的電流進行乘積平方根操作；所述電流靈敏放大器15用于比較流過參考模塊11及相變存儲器中陣列相變存儲單元的電流值，從而讀出相變存儲器的存儲數據。本發明根據相變存儲單元的讀出原理，通過對兩個參考相變存儲單元分別進行RESET及SET操作得到高低參考電阻，對高低參考阻值進行乘積平方根運算后得到讀電路的參考阻值，使讀電路能夠適應不同的相變單元材料和不同的工藝條件，從而提高相變存儲器的數據讀出可靠性。所以，本發明有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業利用價值。
[0071]上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用于限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬【技術領域】中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。
【權利要求】
1.一種參考電阻優化的相變存儲器讀電路，其特征在于，包括: 參考模塊、參考相變存儲單元寫電路、參考相變存儲單元電壓嵌位、電流乘積平方根電路及電流靈敏放大器； 所述參考模塊包括用于代表相變存儲器的低電阻值的第一參考單元，以及用于代表相變存儲器的高電阻值的第二參考單元； 所述參考相變存儲單元寫電路用于提供所述第一參考單元及第二參考單元的SET及RESET操作； 所述參考相變存儲單元電壓嵌位用于提供所述第一參考單元及第二參考單元的電壓，以獲得流過已進行過SET或RESET操作的第一參考單元及第二參考單元的電流； 所述電流乘 積平方根電路用于將流過已進行過SET或RESET操作的所述第一參考單元及第二參考單元的電流進行乘積平方根操作； 所述電流靈敏放大器用于比較流過參考模塊及相變存儲器中陣列相變存儲單元的電流值，從而讀出相變存儲器的存儲數據。
2.根據權利要求1所述的參考電阻優化的相變存儲器讀電路，其特征在于:所述第一參考單元及第二參考單元均至少包括至少一個相變存儲單元，所述第一參考單元的相變存儲單元通過SET操作實現低電阻值，所述第二參考單元的相變存儲單元通過RESET操作實現高電阻值。
3.根據權利要求2所述的參考電阻優化的相變存儲器讀電路，其特征在于:所述第一參考單元及第二參考單元均至少包括兩個以上的相變存儲單元，所述第一參考單元由兩個以上的相變存儲單元通過SET操作后的平均值實現低電阻值，所述第二參考單元由兩個以上的相變存儲單元通過RESET操作后的平均值實現高電阻值。
4.根據權利要求1所述的參考電阻優化的相變存儲器讀電路，其特征在于:所述參考相變存儲單元寫電路對于所述第一參考單元及第二參考單的寫頻率根據相變存儲器中的寫頻率進行調節。
5.根據權利要求1所述的參考電阻優化的相變存儲器讀電路，其特征在于:所述參考相變存儲單元電壓嵌位的鉗位電壓依據所述第一參考單元及第二參考單元的電阻可調。
6.根據權利要求1所述的參考電阻優化的相變存儲器讀電路，其特征在于:所述參考相變存儲單元電壓嵌位的嵌位電壓低于所述第一參考單元及第二參考單元的相變電壓。
7.—種相變存儲器讀電路參考電阻的優化方法，其特征在于，至少包括步驟: 對第一參考單元及第二參考單元進行寫操作分別獲得低電阻值及高電阻值； 將所述低電阻值及高電阻值進行乘積平方根來得到參考電阻值。
8.根據權利要求7所述的相變存儲器讀電路參考電阻的優選方法，其特征在于:所述第一參考單元及第二參考單元均至少包括至少一個相變存儲單元，所述第一參考單元的相變存儲單元通過SET操作獲得低電阻值，所述第二參考單元的相變存儲單元通過RESET操作獲得高電阻值。
9.根據權利要求8所述的相變存儲器讀電路參考電阻的優選方法，其特征在于:所述第一參考單元及第二參考單元均至少包括兩個以上的相變存儲單元，所述第一參考單元由兩個以上的相變存儲單元通過SET操作后的平均值實現低電阻值，所述第二參考單元由兩個以上的相變存儲單元通過RESET操作后的平均值實現高電阻值。
10.根據權利要求7所述的相變存儲器讀電路參考電阻的優選方法，其特征在于:所述高電阻值及低電阻值的乘積平方根通過在固定電壓下的電流乘積平方根來實現。
11.根據權利要求10所述的相變存儲器讀電路參考電阻的優選方法，其特征在于:通過比較所述電流乘積平方根及相變存儲器中陣列相變存儲單元的電流值，以讀出所述相變存儲器的存儲數據。
【文檔編號】G11C11/56GK103943144SQ201410182102
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月30日 優先權日:2014年4月30日
【發明者】張怡云, 陳后鵬, 宋志棠 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所