一种RRAM逻辑器件的级联系统及方法

摘要

本发明提供一种RRAM逻辑器件的级联方法，包括以下步骤：S1、对RRAM器件施加电压信号，使得RRAM器件处于高阻态；S2、利用恒流源读取所述RRAM器件的阻值，并得到RRAM器件的放大电压；S3、将所述RRAM器件的放大电压进行压缩,使其转换成和所述电压信号相对应的压缩电压;并将所述压缩电压传递到下一级RRAM器件；本发明解决了RRAM器件间连接并进行信号传递的问题，为RRAM成为新的逻辑器件提供必要的支持，本发明还提供一种RRAM逻辑器件的级联系统。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体集成电路及其制造技术领域，特别涉及一种 RRAM逻辑器件的级联系统及方法。

背景技术

器件尺寸的减小，集成度的提高，是集成电路发展的方向。传统 的IC通常使用CMOS为基本逻辑单元来实现信息处理和存储功能，然 而随着工艺的改进，器件尺寸下降过程中由于二级效应的存在，MOS 晶体管的特征尺寸的下降遇到瓶颈。

目前，一种利用电阻变化的新型非挥发性存储器具有高速度 （<5ns）、低操作电压（<1V），高存储密度、易于集成等优点，成为了 下一代半导体存储器的强有力竞争者；这种被称为“阻变存储器 （RRAM）”的器件一般具有金属－绝缘体－金属的结构。

RRAM器件的操作一般包含两部，第一步是建立过程（set过程）， 通过加脉冲将RRAM器件偏置到一个低阻的状态；另一个过程是复位 过程（reset过程），加反向偏压使得低阻态变成高阻态；RRAM器件 经过不同的set和reset过程后，表现出的阻态不同。

基于是RRAM的上述功能，RRAM可实现多值逻辑功能；但是 RRAM器件要想作为逻辑单元被大规模使用，必须处理好单个逻辑单 元之间的连接也即信号传递的问题。

发明内容

本发明提供了一种RRAM逻辑器件的级联系统及方法，以解决 RRAM器件间连接并进行信号传递的问题。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

本发明提供一种RRAM逻辑器件的级联方法，包括以下步骤：

S1、对RRAM器件施加电压信号，使得RRAM器件处于高阻态；

S2、利用恒流源读取所述RRAM器件的阻值，并得到RRAM器 件的放大电压；

S3、将所述RRAM器件的放大电压进行压缩,使其转换成和所述电 压信号相对应的压缩电压;并将所述压缩电压传递到下一级RRAM器 件。

优选的，所述步骤S1进一步包括：

S11、对RRAM器件施加建立电压，以实现对所述RRAM的set 操作，使得所述RRAM置于低阻态；

S12、对所述RRAM器件施加复位电压，以实现对所述RRAM的 reset操作，使得所述RRAM置于高阻态。

优选的，所述步骤S3进一步包括：

将所述RRAM器件的放大电压进行压缩，该压缩电路包含非线性 元器件和电阻。

优选的，所述非线性元器件为二极管。

优选的，所述步骤S3进一步包括：

将所述RRAM器件的放大电压经缓冲器后进行压缩。

优选的，所述步骤S3进一步包括：将所述RRAM器件的放大电 压经缓冲器后进行压缩，使其转换成和所述复位电压相对应的压缩电 压。

本发明还提供一种RRAM逻辑器件的级联系统，包括有：

电压信号输入模块，用于对RRAM器件施加电压信号，使得RRAM 器件处于高阻态；

电压放大模块，用于读取所述RRAM器件的阻值，并得到RRAM 器件的放大电压；

电压压缩模块，用于将所述RRAM器件的放大电压进行压缩,使其 转换成和所述电压信号相对应的压缩电压;并将所述压缩电压传递到 下一级RRAM器件。

优选的，所述电压信号输入模块进一步包括：

建立电压子模块，用于对RRAM器件施加建立电压，以实现对所 述RRAM的set操作，使得所述RRAM置于低阻态；

复位电压子模块，用于对所述RRAM器件施加复位电压，以实现 对所述RRAM的reset操作，使得所述RRAM置于高阻态。

优选的，所述电压压缩模块进一步包括缓冲器，使得所述RRAM 器件的放大电压经该缓冲器后进行压缩。

本发明通过提供一种RRAM逻辑器件的级联系统及方法，成功地 将RRAM器件放大了的电压信号进行压缩并实现了电压到电阻再到电 压的转换，为RRAM成为新的逻辑器件提供必要的支持。由于RRAM 单元可以实现多态功能，因此使用RRAM器件作为新型逻辑单元有利 于降低电路的规模和复杂度；本发明通过对单个RRAM 器件输出信号 范围进行压缩而成功的实现了信号的传递。

附图说明

图1为本发明一实施例的流程图；

图2为本发明一实施例的电路图；

I1：恒流源          V1、V2：电压源        R1：电阻

D1：二极管          M1、M2：NMOS晶体管

具体实施方式

下面对于本发明所提出的一种RRAM逻辑器件的级联系统及方 法，结合附图和实施例详细说明。

由于RRAM逻辑单元之间传递的信号为电压信号，而RRAM器件 在set和reset后表现出不同的阻态，这一点是和当下的主流逻辑器件 CMOS是不同的；CMOS电路只需要实现电压的传递，而RRAM的逻辑 器件的实现需要能够保证在电阻和电压两个不同的域之间的变换。在 本发明中，使用电流源实现电阻态向电压形式信号的变换。

单个RRAM逻辑单元的输入电压即为建立电压（set）和复位电压 （reset）。建立电压和复位电压变化的范围在1个数量级范围之内，而 输出为单个RRAM逻辑单元的阻态，RRAM阻态的变化范围往往在2-3 个数量级之间。也就是说RRAM存储的信息对输入的电压信号进行了 拉伸放大。因此，这里读出的电压信号是不能用来进行后续操作的， 需要采用非线性元件来进行分压，实现电压信号的非等比例压缩。由 于二极管的I-V特性为非线性，因此选择合适的二极管器件，可以达到 压缩输出信号变化范围的目的。具体操作如下：

如图1所示，本发明提供一种RRAM逻辑器件的级联方法，包括 以下步骤：

S1、对RRAM器件施加电压信号，使得RRAM器件处于高阻态；

S2、利用恒流源读取所述RRAM器件的阻值，并得到RRAM器 件的放大电压；

S3、将所述RRAM器件的放大电压进行压缩,使其转换成和所述电 压信号相对应的压缩电压;并将所述压缩电压传递到下一级RRAM器 件。

优选的，所述步骤S1进一步包括：

S11、对RRAM器件施加建立电压，以实现对所述RRAM的set 操作，使得所述RRAM置于低阻态；

S12、对所述RRAM器件施加复位电压，以实现对所述RRAM的 reset操作，使得所述RRAM置于高阻态。

优选的，所述步骤S3进一步包括：

将所述RRAM器件的放大电压进行压缩，该压缩电路包含非线性 元器件和电阻。

优选的，所述非线性元器件为二极管。

优选的，所述步骤S3进一步包括：

将所述RRAM器件的放大电压经缓冲器后进行压缩。

优选的，所述步骤S3进一步包括：将所述RRAM器件的放大电 压经缓冲器后进行压缩，使其转换成和所述复位电压相对应的压缩电 压。

本发明还提供一种RRAM逻辑器件的级联系统，包括有：

电压信号输入模块，用于对RRAM器件施加电压信号，使得RRAM 器件处于高阻态；

电压放大模块，用于读取所述RRAM器件的阻值，并得到RRAM 器件的放大电压；

电压压缩模块，用于将所述RRAM器件的放大电压进行压缩,使其 转换成和所述电压信号相对应的压缩电压;并将所述压缩电压传递到 下一级RRAM器件。

优选的，所述电压信号输入模块进一步包括：

建立电压子模块，用于对RRAM器件施加建立电压，以实现对所 述RRAM的set操作，使得所述RRAM置于低阻态；

复位电压子模块，用于对所述RRAM器件施加复位电压，以实现 对所述RRAM的reset操作，使得所述RRAM置于高阻态。

优选的，所述电压压缩模块进一步包括缓冲器，使得所述RRAM 器件的放大电压经该缓冲器后进行压缩。

如图2所示，根据上述技术方案记载的内容具体操作如下：

1、对RRAM器件进行reset操作，当reset电压为1.0V和1.25V 时，得到两个阻态分别为1×10⁴Ω和4×10⁴Ω；

2、关闭输入信号支路，利用电流源来读取RRAM的阻值，以电 压的形式通过缓冲器传递到电压压缩支路；若此时恒流源采用的电流 为0.2mA，则此时的电压分别为2V和8V；

3、不同的电压信号经过压缩，转换成一个和其输入的reset电压 相对应的电压。在本例中，经过压缩变换后的电压,2V的电压变成 0.85V，而8V的电压则变成1.20V；可见，通过非线性支路后的电压 被还原了，还原成最初的reset过程所用的电压；

4、压缩后的信号传递到下一级RRAM，进行下一级RRAM器件 的reset操作。

本发明在单个器件之间使用源跟随器从而实现了单个器件进行复 位时与其后的器件隔离。

由于受非线性元件参数的限制，这里仿真出来的结果与理想的结 果有一定的偏差。且上述用到的仿真数据是在没有考虑缓冲器的阈值 损失的情况下得到的。因此附图中电路得到的结果可能会与上述有差 异。但可以看出，通过设计合适的二极管，可以很容易的实现电压的 精确还原。

本发明通过提供一种RRAM逻辑器件的级联系统及方法，成功地 将RRAM器件放大了的电压信号进行压缩并实现了电压到电阻再到电 压的转换，为RRAM成为新的逻辑器件提供必要的支持。由于RRAM 单元可以实现多态功能，因此使用RRAM器件作为新型逻辑单元有利 于降低电路的规模和复杂度；本发明通过对单个RRAM器件输出信号 范围进行压缩而成功的实现了信号的传递。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关 技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下， 还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明 的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。