用于读取阵列中电阻开关器件的电路和方法技术

一种用于感测在交叉阵列中的电阻开关器件的电阻状态的读取电路，所述读取电路利用连接到阵列中电阻开关器件的选择的列线的等电位前置放大器。等电位前置放大器传送感测电流，同时将选择的列线保持在参考电压，所述参考电压接近于施加到所述阵列的未选行线的偏置电压5。读取电路具有用于产生感测参考电流的参考电流源，以及电流比较器，所述电流比较器被连接以相对于所述感测参考电流来评估由所述等电位前置放大器传送的感测电流，并产生指示所述电阻开关器件的电阻状态的输出信号。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于读取阵列中电阻开关器件的电路和方法
技术介绍
忆阻器件或忆阻器是具有能够进行电气切换的器件电阻的一类新的开关器件。忆阻器件在科学上和技术上都引起了关注，并有希望用于非易失性存储器（NVM）及其他领域。随着当前的闪存技术达到了其规模缩放极限，急需能够满足未来应用所要求的存储容量和速度的新的存储技术。使用诸如忆阻器的电阻开关器件的存储器是满足该需要的有希望的候选。对于NVM应用，能够在诸如纵横结构的二维阵列中形成许多纳米规模的电阻开关器件，用以提供极高的存储容量。然而，可靠地读取阵列中所选择电阻开关器件的电阻状态是主要挑战，由于阵列中其他开关器件的存在可以构成泄漏电流的通路，这会显著减小读取操作的信号/噪声比。附图说明图1是作为一类电阻开关器件的忆阻器件的示例的示意性截面图；图2是包含多个电阻开关器件的纵横结构的示意图；图3是表示电阻开关器件的纵横结构的抽象概念的示意图；图4是用于使用“等电位感测”电路来读取纵横结构中的选择的电阻开关器件的电子电路的示意图；图5是示出使用图4的电路读取纵横结构中所选择的电阻开关器件的过程的流程图；以及图6是用于读取纵横结构中所选则的电阻开关器件的图4的电子电路的实现方式的示意图。具体实施方式以下说明提供一种用于读取开关器件的阵列中的电阻开关器件的电阻状态的电路，及用于执行读取操作的相对应方法。在一些实现方式中，读取电路可以提供数字输出以表示开关器件的电阻状态。例如，数字“0”可以指示器件处于高电阻状态，或者“关闭”状态中，而数字“1”可以指示器件处于低电阻状态，或者“开启”状态中。在一些实施例中，电阻开关器件可以是双极型忆阻器件（或忆阻器）。如本文所使用的，忆阻器件是开关器件，其中，其电阻代表其开关状态的，并且电阻取决于施加到器件的电压和电流的历史。术语“双极型”表示能够通过施加一个极性的开关电压，将器件从低电阻状态（“LRS”）切换到高电阻状态（“HRS”），并通过施加相反极性的开关电压，将器件从高电阻状态切换到低电阻状态。图1以示意性方式示出了双极型忆阻器件100的示例。在图1所示的实施例中，忆阻器件是双端器件，具有顶电极120和底电极110。在两个电极之间设置有源区域122，在此进行开关动作。开关器件100的有源区域122包括开关材料，其可以是电子半导电的或者名义上绝缘的，以及弱离子导体。开关材料包含掺杂剂，其可以在足够强的电场下受驱动以通过开关材料漂移，导致忆阻器件的电阻的改变。忆阻器件100例如可以用作非易失性存储器单元，用于存储数字信息。如图2所示，这样的存储器单元可以结合在纵横结构中以提供高存储容量。具有其各自适合的掺杂剂的许多不同材料都能够用作开关材料。呈现出适合于开关的特性的材料包括过渡金属和稀土金属的氧化物、硫化物、氮化物、碳化物、磷化物、砷化物、氯化物和溴化物。适合的开关材料还包括诸如Si和Ge之类的元素半导体，以及诸如III-V族和II-V族化合物半导体之类的化合物半导体。可能的开关材料的列举不是穷举性的，且不限制本专利技术的范围。用于改变开关材料的电气特性的掺杂剂种类取决于所选择的开关材料的具体类型，且可以是阳离子、阴离子或空穴，或者作为电子施主或电子受主的杂质。例如，在诸如TiO2之类的过渡金属氧化物的情况下，掺杂剂种类可以是氧空穴。对于GaN，掺杂剂种类可以是氮化物空穴或二价硫离子。对于化合物半导体，掺杂剂可以是n型或p型杂质。能够通过控制有源区域122中开关材料中的氧空穴的浓度和分布，而在开启和关闭状态之间切换纳米级的开关器件100。当横跨顶电极120和底电极110而施加DC开关电压时，横跨有源区域122产生电场。可以由开关电路200提供开关电压和电流。横跨有源区域122的电场如果具有足够的强度和适当的极性，就可以驱动氧空穴朝向顶电极120漂移通过开关材料，从而将器件转变为开启状态。通过示例的方式，如图1所示，在一个实施例中，开关材料可以是TiO2。在此情况下，可以由开关材料携带并输送通过的掺杂剂是氧空穴（VO2+）。开关器件的有源区域122具有两个子区域或层：主区域124和次区域126。主区域124是开关动作进行的主要场所。在器件的原始形成的状态中，主区域124具有相对低的掺杂剂浓度，而次区域126具有相对高的掺杂剂程度。次区域126起到掺杂剂源极/漏极的作用。在开关操作过程中，可以将掺杂剂从次区域126驱动到主区域124中，或者从主区域驱动到次区域，用以改变主区域中掺杂剂的分布，从而改变横跨主区域的导电性。如果将电场的极性反转，掺杂剂就可以在相反方向上跨过开关材料漂移且远离顶电极120，从而将器件转变为关闭状态。以此方式，开关是可反转的并且可以被重复。由于使得掺杂剂漂移所需的相对大的电场，在去除了开关电压后，在开关材料中掺杂剂的位置保持稳定。开关是双极的，因为相反极性的电压用于切换器件开启和关闭。可以通过将读取电压施加到底电极110和顶电极120以感测横跨这两个电极的电阻来读取开关器件100的状态。读取电压通常比在顶电极和底电极之间引起离子掺杂剂的漂移所需的阈值电压低得多，以使得读取操作不改变开关器件的电阻状态。可以将忆阻开关器件形成为阵列，以用于各种应用，其得益于具有高密度的开关器件。图2示出了忆阻开关器件的二维阵列160的示例。阵列160具有在第一方向上延伸的大致平行的第一组161纳米线162，和在第二方向上延伸的大致平行的第二组163纳米线164，第二方向与第一方向成例如90度的角度。一组纳米线可以标记为行线，另一组可以标记为列线。两层纳米线162和164形成二维网格，其通常称为纵横结构，第一层中的每一条纳米线162都与第二层的多条纳米线164相交，反之亦然。可以在纳米线162和164的每一个交叉点处形成忆阻开关器件166。开关器件166具有作为其顶电极的第二组163的纳米线，和作为其底电极的第一组161的纳米线，以及包含在两条纳米线之间的开关材料的有源区域172。二维阵列中的每一个忆阻器件166都可以通过选择构成忆阻器件的电极的行线和列线来唯一地寻址。如上所述，由使用纵横式存储器结构而导致的一个难题是难以可靠地读取阵列中所选择的器件的电阻状态。为了感测所选择的器件的电阻状态，可以经由器件的行线和列线将感测电压施加到器件，可以监控流过所选择的器件的电流，以确定器件的电阻。但还存在连接到所选择的行线或所选择的列线的其他开关器件。那些器件称为“半选”器件，可以形成泄漏电流的通路，会难以将流过所选择的器件的电流与泄漏电流隔离，如果在每一条行线或列线上存在许多器件，泄漏电流会是相当大的。为了有利于更好地理解纵横结构（crossbar）中泄漏电流的问题，以及其如何使得读取所选择的电阻开关器件（或者“目标器件”）的操作变得复杂，图3以简化的方式显示了纵横结构210的抽象概念。要读取的目标器件202（忆阻器的电子电路符号中所示的）在所选择的行线SR与所选择的列线SC的交叉点处。图3中的未选行UR表示纵横结构210中除了所选择的行SR以外的所有行，未选列线UC表示纵横结构210的除了所选列线以外的所有列。器件204表示并行连接到所选择的列线SC的所有其他电阻开关器件，器件206表示并行连接到所选择的行线SR的所有其他电阻开关器件。器件本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种读取电路，用于感测交叉阵列中的电阻开关器件的电阻状态，包括：电压源，用于将偏置电压施加到所述阵列的未选择的行线并且施加到所述阵列的选择的行线；等电位前置放大器，所述等电位前置放大器用于连接到所述阵列中的所述电阻开关器件的选择的列线；参考电流源，所述参考电流源用于产生设置参考电流和感测参考电流；设置组件，所述设置组件用于基于由所述参考电流源产生的设置参考电流来设定所述等电位前置放大器的参考电压；以及电流比较器，其中所述等电位前置放大器用于传送感测电流，同时将所选择的列线保持在参考电压，所述参考电压接近于施加到所述阵列的未选择的行线的偏置电压，并且所选择的行线连接到地电位，以及连接所述电流比较器以相对于所述感测参考电流来评估由所述等电位前置放大器传送的所述感测电流，并产生指示所述电阻开关器件的所述电阻状态的输出信号。2.根据权利要求1所述的读取电路，进一步包括输出缓冲器，所述输出缓冲器用于将所述电流比较器的所述输出信号转换为数字输出信号。3.根据权利要求1所述的读取电路，其中，用于设定所述参考电压的所述设置组件包括反馈开关，所述反馈开关用于选择性地将所述等电位前置放大器的输入连接到所述电流比较器的输出，并且其中，连接所述电流比较器以相对于所述设置参考电流来评估所述等电位前置放大器的输出电流。4.根据权利要求3所述的读取电路，其中，用于设定所述参考电压的所述设置组件进一步包括连接到所述等电位前置放大器的所述输入的采样－保持电容器，用于保持所述参考电压。5.根据权利要求4所述的读取电路，进一步包括电流放大器，所述电流放大器用于放大所述等电位前置放大器的所述输出电流以产生作为所述电流比较器的输入的经放大的电流。6.根据权利要求4所述的读取电路，其中，所述采样－保持电容器是晶体管的栅极电容。7.根据权利要求4...

【专利技术属性】
技术研发人员：F·佩纳，
申请(专利权)人：惠普发展公司，有限责任合伙企业，
类型：
国别省市：