[發明專利]一種可調的非易失性存儲器參考單元

在審

• 申請號: 201410341595.7
• 申請日: 2014-07-17
• 公開（公告）號: CN104134458A
• 公開（公告）日: 2014-11-05
• 發明（設計）人: 李政;郭瑋;康旺;趙巍勝
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G11C16/06
• 分類號: G11C16/06;G11C16/02
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

技術領域

本發明涉及一種可調的非易失性存儲器參考單元，屬于非易失性存儲器技術領域。

背景技術

近年來材料物理與電子學科的快速發展，促使新型非易失存儲器技術，比如自旋轉移矩磁性隨機存儲器(Spin?Transfer?Torque?Magnetic?Random?Access?Memory，STT-MRAM)，相變隨機存儲器(Phase?Change?Random?Access?Memory，PCRAM)和氧化物電阻性隨機存儲器(Oxide?Resistive?Random?Access?Memory，OxRRAM)等不斷涌現。典型的非易失性存儲器的存儲單元由一個非易失性存儲器件R_X，如磁性隧道結(Magnetic?Tunneling?Junction，MTJ)或憶阻器(Memristor)等，和一個N型金屬氧化物半導體(N-Metal?Oxide?Semiconductor，NMOS)晶體管串聯組成，如附圖1所示。其中R_X有低電阻態(電阻值記為R_L)和高電阻態(電阻值記為R_H)兩種電阻態。因此，一個R_X可用于存儲一比特二進制數據信息，而存儲單元中的NMOS晶體管用于對存儲單元進行訪問控制。

非易失性存儲器的讀取操作基本分為兩種：第一種是給存儲單元和一個參考單元(電阻記為R_ref)施加相同的電壓，用電流比較器比較其產生的電流信號，從而判決出目標存儲單元的電阻為R_H還是R_L，如附圖2所示。第二種是給存儲單元和一個參考單元(電阻記為R_ref)施加相同的電流，用電壓比較器比較其產生的電壓信號，從而判決出目標存儲單元的電阻為R_H還是R_L，如附圖3所示。理論上，參考單元產生的參考電流I_ref或參考電壓V_ref信號應等于存儲單元產生的高低兩種電流或電壓信號的算數平均值，從而提高讀取準確性。

由于工藝的不穩定，非易失性存儲器的讀取可靠性比較差。這主要是因為工藝偏差可能導致非易失性存儲器件R_X的高、低兩種電阻值R_H和R_L偏離目標值，同時，用于判決比較的參考單元內的R_ref也會偏離目標值。這就導致了讀取判決裕量的降低，使讀取放大器不能讀出正確結果，從而影響到讀取的可靠性。常規的外圍電路級可靠性設計以及系統級可靠性設計方案，例如糾錯編碼，冗余修復等，并不能有效的顯著提高讀取電路對工藝偏差的容忍度。

發明內容

一、發明目的：

針對上述背景中提到的非易失性存儲器的讀取電路對工藝偏差容忍度低，讀取可靠性差的問題，本發明一種可調的非易失性存儲器參考單元提供了一種可以校準的參考單元組織方法，通過調節參考單元，使參考信號更接近理論最佳值，從而增大判決裕量，提高讀取可靠性。

二、技術方案：

本發明一種可調的非易失性存儲器參考單元的技術方案是通過調節參考單元中NMOS晶體管的柵極電壓來調節整個參考單元的電阻或電導值。如附圖4所示，在調節參考單元之前，參考單元的電阻(電導)分布偏差較大，判決裕量很低，極易產生讀取錯誤。通過調節參考單元的電阻值，可以有效減小參考單元電阻(電導)的分布偏差，增大判決裕量。

本發明一種可調的非易失性存儲器參考單元，如圖5、圖6、圖7和圖8所示，由兩列串聯的R_X-NMOS-R_X-NMOS結構并聯而成。其中非易失性存儲器件M1、M3被配置成低阻態，非易失性存儲器件M2、M4被配置成高阻態，或者非易失性存儲器件M1、M2被配置成低阻態，非易失性存儲器件M3、M4被配置成高阻態，由此可得到高低阻態存儲單元電導或電阻的算數平均值。非易失性存儲器件M1、M2的頂端連接位線(BL)，NMOS晶體管N3、N4源極連接源極線(SL)，NMOS晶體管N1、N2的柵極連接字線(WL)。在第一種設計方案中，NMOS晶體管N3、N4的柵極共同連接可調字線(WL_A)，為粗校準設計，如圖5和圖7所示。在第二種設計方案中，NMOS晶體管N3、N4的柵極分別連接可調字線1(WL_A1)和可調字線2(WL_A2)，為精校準設計，如圖6和圖8所示。