專利名稱：用于操作電阻存儲單元的方法和存儲電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于從電阻存儲單元，更具體地，/人導電橋式隨機存取存儲單元(或CBRAM存儲單元)讀取存儲數(shù)據(jù)的方法。 本發(fā)明還涉及一種包括電阻存儲單元的存儲電路。
背景技術：
在CBRAM存儲電路中，信息存儲在CBRAM存儲單元中，每 個CBRAM存儲單元都包括至少一個電阻存儲元件。電阻存儲元件 可以獲取各種電阻狀態(tài)，其中，可以通過i殳置電阻存儲元件的電阻 狀態(tài)來確定待存儲的信息。為了估計CBRAM存儲單元的內(nèi)容，必 須估計各個存〗諸單元的電阻存〗諸元件的電阻值。這可以通過施加電 壓并測量流過CBRAM存儲單元的得到電流來執(zhí)行。為了能夠在讀 出信息的同時不改變電阻存儲元件的電阻狀態(tài)，為此目的而施加至 電阻存儲元件的電壓不準超出一定的電壓范圍，例如，100 mV到 200mV之間。因此，電阻存儲元件的電阻狀態(tài)的電阻值一^l殳為104 Q到109 Q之間，從而導致流過存儲單元的電流在100 pA和10 iuA 之間的范圍內(nèi)。在通常用作CBRAM存儲電路的電路系統(tǒng)中，電流 在ljuA以下，然而，由于不能#1分辨，因而，4企測為0juA。在單 級i殳計中，即，在CBRAM電阻存儲單元中存儲二進制數(shù)據(jù)的情況 下，電4立讀出方文大器(potential sense amplifier ) 4奪<昔助于5 的參 考電路來估計流過存儲單元的電流，以在兩個邏輯狀態(tài)之間進行區(qū)
分。在CBRAM存儲電路的多級設計中，對于CMOS電路系統(tǒng)已 相乂十'J、的發(fā)4言號電;克(signalling current)4皮進一步分為若干單個4直。 當每個存儲單元存儲2位時，單元電流約等于10 pA(狀態(tài)"11")、 6.66 nA(狀態(tài)"10" )、 3.33 ^A(狀態(tài)"01")、以及0 jiA(狀態(tài)"00")， 這就需要對發(fā)信號電流有至少1.66 iaA的分辨率，而4昔助于常失見電 路系統(tǒng)來實現(xiàn)這樣的分辨率是4艮復雜的。因而，需要提供一種用于從CBRAM存儲單元讀取存儲數(shù)據(jù) (memory datum )的方法，該可以避免上述缺點，并且借助于本方 法，尤其是在多級設計中，可以以可靠的方式執(zhí)行CBRAM存儲電 路的電阻存儲元件的狀態(tài)檢測。此外，需要提供一種CBRAM存儲 電^各，其中，可以以改進的方式從CBRAM存j諸單元讀耳又信息。發(fā)明內(nèi)容根據(jù)第一方面，提供了 一種用于從電阻存儲元件讀取存儲數(shù)據(jù) 的方法，該方法采用了由控制值控制的可控選擇晶體管。該方法包 括檢測流過電阻存儲元件的單元電流，根據(jù)所才企測到的單元電流設 置控制值，以及根據(jù)控制值提供存儲數(shù)據(jù)。根據(jù)另一方面，提供了一種用于讀取存儲數(shù)據(jù)的存儲電路，該 存儲電路包括由控制值控制的選擇晶體管、和設置為電阻狀態(tài)的電 阻存儲元件。存儲電路還包括估計單元，用于檢測流過電阻存儲元 件的單元電流，以便才艮據(jù)所^r測的單元電流設置控制值并才艮據(jù)該控 制值提供存儲數(shù)據(jù)。


為了可以更詳細地了解本發(fā)明的上述特征，可以參考附圖中一 描述。然而，應注意，附圖僅示出了本發(fā)明的典型實施例，因此不 應限制本發(fā)明的范圍，本發(fā)明可以有其他等效實施例。圖1是包括CBRAM存儲單元的傳統(tǒng)CBRAM存儲電路的示意圖；圖2是根據(jù)實施例的CBRAM存儲電路的框圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明實施例的CBRAM存儲電路的詳細電路圖；圖4是在想象的CBRAM存儲單元的電阻存儲元件的不同電阻 處的單元電流對柵極電壓的特性曲線；圖5是用于CBRAM存儲電路的讀電路的詳細示意圖；以及圖6是用于CBRAM存儲電路的寫電路的示意圖。
具體實施方式
圖1示出了常規(guī)的CBRAM存儲電路1的一部分。為了簡明和 便于說明，僅在字線3和位線4的交點示出了 一個CBRAM存儲單 元2。存儲單元2包括與電阻存儲元件6串聯(lián)連接的選擇晶體管5, 該電阻存^f渚元^f牛在^f立線4和由凈反才及電4立源(未示出，plate potential source)提供的預定板極電位V^之間。具體地，選擇晶體管5的第一端子(源極或漏極端子)連接至 位線4,以及選擇晶體管5的第二端子(漏極或源極端子)連接至 電阻存儲元件6的第一端子。電阻存儲元件6的第二端子連接至板 極電位VPIj。選擇晶體管5的控制端子(柵極端子)連接至字線3。
電阻存儲元件6被配置為CBRAM電阻存儲元件，并且此外還 被稱為可編程金屬化單元(PMC)電阻存儲元件。這樣的電阻存儲可以通過將編程電壓施加在電阻元件6上來進行電阻元件6的編 程，從而使電阻存儲元件呈現(xiàn)具有第一小電阻值的電阻狀態(tài)。借助 于通常與編程電壓相比具有反極性(inverted polarity )的擦除電壓， 電阻存〗諸元件可以纟皮i殳置為具有第二大電阻值的電阻狀態(tài)。通過在 在固態(tài)電解質(zhì)中移動的導電材料(諸如，Ag)中建立導電通路和使 導電電路從該導電材料中退化，可以實現(xiàn)電阻存儲元件6的編程和 擦除。這樣的電阻存儲元件的功能在本技術領域中是眾所周知的， 因此，本文中將不再進4亍更詳細的描述。取代CBRAM電阻存儲元件，在以下描述的CBRAM存儲電路 的實施例中，可以使用能夠獲取具有不同電阻值的不同電阻狀態(tài)的 其他電阻存儲元件。可以通過激活字線3，即，將激活信號施加至字線，執(zhí)4亍存儲 單元2的尋址，從而(使選擇晶體管5導電)導通選擇晶體管5, 使位線4經(jīng)由導電選4奪晶體管5連接至電阻存儲元件6?？梢越柚?于讀電路8來執(zhí)行讀操作，其中，讀電路8將預定電位施加于位線 4并估計流經(jīng)^f立線4并流過尋址的電阻存〗諸元件6的電流。4艮據(jù)電 流量，確定存儲單元2的電阻狀態(tài)?？梢砸韵嗤姆绞綀?zhí)行多位存儲單元(即，可以包括兩個以上 電阻狀態(tài)的存儲單元)的讀取，其中，通過將讀電壓施加于位線， 確定流過存儲單元的得到電流的范圍。才艮據(jù)流過存儲
實施例描述了包4舌編程電路10的CBRAM存々者單元2，通常 經(jīng)由位線4、通過激活的存儲單元2將方向視待寫入的數(shù)據(jù)而定的 預定編程電流施加于編程電路，從而將存儲單元2的電阻存儲元件 6選擇性地設置為大電阻狀態(tài)或小電阻狀態(tài)。在多級存儲單元中， 可以以使電阻存儲元件6的電阻值處于對應于CBRAM存儲單元2 的某個電阻狀態(tài)的某一范圍的方式配置編程電路10。借助于編程電 ^各中的電流級，將編程電流施加于位線4，以將位線電位;改在正編 程、或者分別4察除電阻存4諸單元2的電阻存〗諸元件6的位線上。特 別地，在編程(即，使電阻存儲元件6處于小電阻狀態(tài)的操作)期 間，當從存儲在位線4上的電荷才是供隨著電阻存儲元件6的電阻值 的減小而增大的電流時，電流峰值可能會由于位線的容量而出現(xiàn)。 流過電阻存^f諸元件6的增加電流大大超過由編程電^各10 4是供的電 流，這可能引起電阻存4諸元件6的損壞。通常，在多級存4諸單元中，尤其難以4企測在讀耳又期間流過存儲 單元的電流，因為所4企測到的電流非常小，所以無法以能夠4吏電流 與某一狀態(tài)可靠關聯(lián)的非常精確的方式、通過對應估計電路來可靠 檢測電流。如圖2所示， 一個實施例提供存儲單元讀出了流過存儲 單元2的電流I，借助于控制單元12穩(wěn)定控制流過存儲單元2的電 流I?？梢詫⒖刂茊卧?2為了達到此目的所需的控制值S分配給存 ^f諸單元2的電阻狀態(tài)。圖3示出了存儲電路的一個實施例的詳細示圖。相同的參考標 號對應于相同功能或具有相似功能的元件。圖3的存儲電路通常遵 循以下概念將選擇晶體管5(例如，諸如MOSFET的場效應晶體 管)用作控制電路10的一部分，其中，選擇晶體管5不再根據(jù)所 應用的字線地址而導通或者截止，而是以預定電流流經(jīng)單獨位線4 、 流過存儲單元2的方式，借助于經(jīng)由字線3的適當模擬激活電位來 進行尋址。這是通過讀電路8將預定位線電位VBL施加于位線4 以及將控制值S施加于待尋址的字線3而實現(xiàn)的。借助于字線解碼 器13根據(jù)所應用的字線地址ADR將控制電位施加于待激活的字線 的來實現(xiàn)這個施加的過程，并且這個施加過程〗吏剩余的字線3失活 而具有諸如板極電位VPL或接地電位的電位，從而4吏得各個選擇晶 體管5完全(不導電)截止。在調(diào)整狀態(tài)下，即，當預定電流流經(jīng) 位線4并且流過存儲單元2時，可以將控制值S分配給從存儲單元 2讀出的數(shù)據(jù)D?？刂浦礢對應于一組電位值中的各個離散電位， 由于存儲單元2中的選擇晶體管5的特性，該組電位值包括對于電 阻存儲元件6的各種電阻狀態(tài)彼此間隔的充足電位。圖4示出了包括電阻存儲元件6的四種不同電阻狀態(tài)的示例性 存儲單元的示例性特性曲線。電阻狀態(tài)的各種電阻值是10 kn、 35 kd、 50 k。、和1MD。當5 pA的穩(wěn)定電流流過第一電阻狀態(tài)(其 中，電阻存儲元件6包括10 kD的電阻值)的存儲單元時，施加于 選擇晶體管5的控制電位達到2.1 V,而在電阻元件的電阻值為35 kQ的第二狀態(tài)下，控制電位達到2.25 V,在電阻元件6的電阻值為 50 kn的第三狀態(tài)下，控制電位達到2.4 V，以及在電阻存儲元件6 為高達l MQ的電阻的第四狀態(tài)下，利用通常用于存儲電路中的電 壓，不能實現(xiàn)5 mA的穩(wěn)定電流，因而，電流基本上相當于0 ^A。圖5更詳細地示出了讀電路8。通過適當?shù)靥峁﹣碜杂啥鄠€電 阻器31到35形成的分壓器的電位，讀電^各8生成控制值S。第一 到第五電阻器31到35在參考電位和接地電位VcND之間串聯(lián)連接。 第一電阻器31和第二電阻器32之間的第一節(jié)點Nl經(jīng)由第一晶體 管41連接至驅動器45的輸入端。第二電阻器32和第三電阻器33 之間的第二節(jié)點N2經(jīng)由第二晶體管42連接至驅動器45的輸入端。 第三電阻器33和第四電阻器34之間的第三節(jié)點N3經(jīng)由第三晶體 管43連接至驅動器45的輸入端。第四電阻器和第五電阻器35之
間第四節(jié)點N4經(jīng)由第四晶體管44連接至驅動器45的輸入端。從 而，形成了一種模擬多路分配器。輸出驅動器45可以配置成反々貴耦合才乘作方文大器，其輸出施加 于第一輸入端并且由晶體管41到44中所選的一個晶體管提供的電 壓作為控制值S。晶體管41到44的控制終端都連接至解碼器46， 該解碼器根據(jù)計數(shù)器47的計數(shù)值使晶體管41到44中的一個導通， 并且使各個其他晶體管進入截止狀態(tài)或使其維持在截止狀態(tài)。控制 單元48通過使計數(shù)器47累加計數(shù)來開始讀操作，以使晶體管41 到44中的每一個相繼導通，而4吏其他晶體管分別截止。例如，以才是供具有電源電位量的電位的方式將位線4經(jīng)由電流 檢測器49連接至電壓源。電流4企測器49包括用于相對于參考值(參 考電流IreF );險測流經(jīng)位線4的電流的比4交單元，并輸出相應的比較信號。如電流檢測器49的確定，當位線4上的電流根據(jù)施加于選擇 晶體管5的控制電壓是否由于晶體管41到44的連續(xù)切換增大或減 小而超過或低于預定電流時，停止計數(shù)器47的累加計4故。當流過 位線4的電流達到預定電流時，電流計凄史器的值#1作為存<漆數(shù)據(jù)D 輸出。可選地，當流過位線4的電流超過或低于預定電流時，電流 計數(shù)器的值被作為存儲數(shù)據(jù)D輸出。在本實施例中，當^是供計數(shù)器47作為二進制計數(shù)器時，可以 利用圖5的讀電路8來檢測四個不同的狀態(tài)。接下來，有可能實現(xiàn) 可以在每個存儲單元中存儲2位的多位存儲電路。在電特征對應于 圖3特性曲線的配置中，可以借助于分壓器從電阻器31-35生成 各個電壓。為了估計對應于圖4的特性曲線的多位存儲單元，接著， 將電壓提供給節(jié)點Nl到N4，節(jié)點Nl到N4限定可以在存儲單元 中設置的各個電阻狀態(tài)范圍的界限。在所示實例中，這可以是2,175、2.325和2.6V的電壓。在這種情況下，只需要在三個節(jié)點Nl ~N3 處提供三個讀取電壓，用于從多位存儲單元讀出四個不同的狀態(tài) 的，以便檢測多位存儲單元的四個狀態(tài)。圖6示出了根據(jù)另一實施例的存儲電路，其中，經(jīng)由字線解碼 器7將控制值施加于尋址字線3，以便以限制峰值電流的方式將控 制值寫入到存儲單元中，在電阻元件從高電阻狀態(tài)轉換為低電阻狀 態(tài)期間可能出現(xiàn)峰值電流。鑒于此，編程電路10提供編程電壓， 借助于該編程電壓，可以使尋址存儲單元的電阻元件從高電阻狀態(tài) 變?yōu)榈碗娮锠顟B(tài)。與傳統(tǒng)CBRAM存儲電路相反，可以以選擇晶體 管5將電阻元件6連接至位線的方式來激活字線3，以開始編程才乘 作。如果電阻元件6的電阻值減小，則流過存4諸單元的電流增大， 其中，可以根據(jù)流經(jīng)位線4的電流，通過編程電路10(例如，借助 于電流4企測器49 )來沖企測該電流。如果流過存4諸單元的電流超出界 限，則經(jīng)由字線3上的字線解碼器7減小控制值的電位，以增大選 擇晶體管5的源-漏極電阻，這可以限制電流。以此方式，可以限制 流過存儲單元2的電阻存儲元件的電流，這樣就可以避免存儲單元 的損壞?？傊?，根據(jù)一個實施例的用于讀取數(shù)據(jù)的方法提供了對選擇晶 體管進行尋址的控制值確定在電阻存儲單元中的信息，控制值是根 據(jù)沖企測的單元電流i殳置的。鑒于此，將流過電阻存儲元件的單元電 流與參考電流進行比較，并且根據(jù)比較的結果來設置控制值。通常， 設置控制值，以使單元電流等于參考電流。如果使電阻存儲元件的 單元電流保持不變，則在電阻存儲單元內(nèi)的電阻存儲元件的各個電 阻值會導致選擇晶體管的控制值不同。由于單元電流-柵極電壓特性 曲線的不同的增大，電阻存儲單元根據(jù)電阻存儲單元中的電阻存儲 元件的電阻值而獲得可容易檢測到的電壓差，所以，借助于在電阻
存儲元件的各個電阻值處的選擇晶體管的不同柵極電壓，可以執(zhí)行 對電阻存儲單元的狀態(tài)的簡單估計。根據(jù)另一實施例，測量值被施加于選擇晶體管，并且直到單元 電流和參考電流之間的差的符號發(fā)生改變才^皮改變，其中，在差的 符號發(fā)生改變處的測量值被設置為控制值。此外，可以根據(jù)離散值改變測量值。此外，可以從許多不同的值中選擇測量值，其中，當單元電流 和參考電流之間的差的符號在連續(xù)施加的測量值之間改變時，最后 施加的測量值^^殳置為控制值。特別，從電阻存儲單元的逐漸減一的許多可檢測電阻狀態(tài)中選 擇控制值的不同值的數(shù)量。根據(jù)又一方面，提供了一種用于讀取存儲lt據(jù)的存儲電路，該 存儲電路包括由控制值控制的選擇晶體管以及被設置為電阻狀態(tài) 的電阻存儲元件。存儲電路還包括讀取單元，用于4企測流過電阻存 儲元件的電流，以根據(jù)所檢測的單元電流來設置控制值并根據(jù)控制 值來提供存儲數(shù)據(jù)。估計單元可以包才舌比4交單元，以將流過電阻存々者單元的單元電 流與參考電流進行比較，以及控制單元，用于根據(jù)比較結果來設置 控制值。此夕卜，控制單元可以經(jīng)配置用于以單元電流對應于參考電流的 方式來設置控制值?？刂茊卧€包括測量單元，用于將測量值施加于選擇晶體管并 且直到比較單元檢測到單元電流和參考電流之間的差的符號已發(fā)
生改變時才改變測量值?？刂茊卧梢越?jīng)配置用于將在差的符號發(fā) 生改變處的測量值-沒置為控制值。因此，測量單元可以經(jīng)配置用于 根據(jù)離散值來改變測量值。
此外，可以提供測量電路從許多不同的值中選擇測量值，其中，當單元電流和參考電流IREF之間的值的符號在連續(xù)施加的測量值 之間改變時，控制單元將最后施加的測量值*沒置為控制4直。盡管以上所述針對本發(fā)明的實施例，但是可以在不背離本發(fā)明 的基本范圍的情況下，設計本發(fā)明的其他和另外的實施例，并且通 過附加權利要求限定本發(fā)明的范圍。
權利要求
1.一種用于讀取存儲在電阻存儲元件中的數(shù)據(jù)的方法，所述電阻存儲元件具有由控制值控制的可控選擇晶體管，所述方法包括檢測流過所述電阻存儲元件的單元電流；基于所檢測的單元電流設置所述控制值；以及根據(jù)所設置的控制值提供所述數(shù)據(jù)。
2. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，檢測流過所述電阻存儲元 件的所述單元電流的所述步驟包括將所述單元電流與參考電 流進行比較，并且其中，基于比較的結果設置所述控制值。
3. 根據(jù)權利要求2所述的方法，其中，設置所述控制值，以使所 述單元電流基本上等于所述參考電流。
4. 根據(jù)權利要求3所述的方法，其中，設置所述控制值的所述步 驟包括將測量值施加至所述選擇晶體管；以及直到所述單元電流和所述參考電流之間的差的符號發(fā)生 改變，才改變所施加的測量值，其中，在所述差的符號發(fā)生改 變處的所述測量值^皮設置為所述控制值。
5. 根據(jù)權利要求4所述的方法，其中，以離散值改變所述測量值。
6. 根據(jù)權利要求5所述的方法，其中，從多個不同值中選擇所述 測量值，并且其中，當所述單元電流與所述參考電流之間的所 述差的符號在連續(xù)施加的測量值之間改變時，最后施加的測量 值被設置為所述控制值。
7. 根據(jù)權利要求6所述的方法，其中，所述控制值的所述多個不 同值對應于所述電阻存4渚單元的4寺逐漸減一沖企測的多個預定 電阻狀態(tài)。
8. —種用于讀取存儲數(shù)據(jù)的存儲電路，包括選擇晶體管，由控制值控制；電阻存儲元件，其被設置為電阻狀態(tài)；以及讀耳又單元，經(jīng)配置用于4企測流過所述電阻存<諸元件的單 元電流，根據(jù)所檢測的單元電流設置所述控制值，以及根據(jù)所 述控制值提供所述數(shù)據(jù)。
9. 根據(jù)權利要求8所述的存儲電路，其中，所述讀取單元包括比較單元，用于將流過所述電阻存4諸單元的所述單元電 流與參考電流進行比較；以及控制單元，用于根據(jù)比較的結果設置所述控制值。
10. 才艮據(jù)權利要求9所述的存儲電路，其中，所述控制單元經(jīng)配置 用于設置所述控制值，以使所述單元電流基本上等于所述參考 電流。
11. 根據(jù)權利要求IO所述的存儲電路，其中，所述控制單元包括測量電路，經(jīng)配置用于將測量值施加至所述選擇晶體管， 以及直到所述比4交單元4企測到所述單元電流和所述參考電流 之間的差的符號已發(fā)生改變，才改變所述測量值，其中，所述 比較單元使所述控制單元將在所述差的符號發(fā)生改變處的所 述測量值^皮i殳置為所述控制值。
12. 根據(jù)權利要求11所述的存儲電路，其中，所述測量電路以離 散值改變所述測量值。
13. 根據(jù)權利要求12所述的存儲電路，其中，所述測量電路從多 個不同值中選擇所述測量值，并且其中，當所述單元電流與所 述參考電流之間的所述差的符號在連續(xù)施加的測量4直之間改 變時，所述控制單元將最后施加的測量值被設置為所述控制 值。
14. 根據(jù)權利要求13所述的存儲電路，其中，所述控制值的所述 多個不同值對應于所述電阻存儲單元的待逐漸減一才全測的許 多預定電阻狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于從電阻存儲單元中讀取存儲數(shù)據(jù)的方法，上述電阻存儲單元包括可通過控制值尋址的選擇晶體管，該方法包括檢測流過該電阻存儲單元的單元電流，根據(jù)所檢測的單元電流設置控制值，以及提供與控制值相關的信息作為存儲數(shù)據(jù)。
文檔編號G11C11/56GK101110267SQ20071012325
公開日2008年1月23日 申請日期2007年7月2日 優(yōu)先權日2006年7月21日
發(fā)明者格哈德·米勒, 海因茨·赫尼希施密特, 科爾溫·利奧, 米萊娜·伊萬諾夫 申請人:奇夢達股份公司