一种链式铁电存储单元数据读出方法

本发明属于集成电路设计，提出了一种链式铁电存储单元数据读出电路。

背景技术：

1、铁电存储器feram是一种利用铁电薄膜材料的极化切换机制制备的非易失性存储器,相较于flash、eeprom等传统非易失性存储器,铁电存储器具有更短的编程时间和更低的功耗。

2、目前商用的feram存储单元结构包括1t1c和2t2c，2t2c包含两个极化方向相反的铁电电容，相比于1t1c结构具有更好的鲁棒性，但由于多出一倍的晶体管和电容，其存储密度低于1t1c结构。另一方面，传统的1t1c结构由1个nmos晶体管和一个铁电电容串联而成，通常使用折叠位线架构，位线成对穿过阵列，导致每bit数据对应单元尺寸为8f2(其中f为特征尺寸)，存储密度较低。

3、图1是链式铁电存储单元电路结构，以一个nmos晶体管和一个铁电电容并联作为一个存储单元，多个存储单元串联为存储单元块。与采用折叠位线架构的传统1t1c铁电存储阵列相比，每个字线和位线的交点都有一个存储单元，实现了单个存储单元尺寸为最小的4f2，从根本上提高了存储密度。复位状态时，所有的nmos管导通，将铁电电容短接，保护电容中所存数据；工作状态时，所选单元nmos管关断，同时其他nmos管仍处于导通状态，因此对所选单元进行数据的写入和读出，而未被选中的单元中铁电电容被nmos管短接，两端没有电压差，数据不会受到破坏。

4、图2是传统链式铁电存储器使用的参考电压产生电路。其结构与存储单元模块相同，不同之处在于其铁电电容面积与存储单元铁电电容面积不同。复位状态下参考单元铁电电容处于正向剩余极化状态，调整参考单元电容面积，使其在被驱动为正向饱和极化状态时，位线寄生电容上产生参考电压。参考电压的准确度与参考单元铁电电容尺寸的准确度紧密相关，而参考单元铁电电容的准确尺寸难以理论预测，需要经过实验来调整，这带来了设计复杂性。

5、本发明所提出的链式存储单元数据读出方法中所采用的参考电压产生电路中，使用与存储单元中铁电电容尺寸相同的铁电电容，从而降低了传统链式存储器参考单元产生模块的设计复杂度。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种链式铁电存储单元数据读出方法，从而降低链式铁电存储器设计的复杂度。

2、技术方案

3、本发明对不同结构的链式铁电存储单元均适用。目前常用的链式铁电存储单元主要包括传统链式存储单元和改进型链式铁电存储单元两种结构，其中改进型链式存储单元电路如图3所示。改进型链式存储单元与传统链式铁电存储单元结构的不同之处在于，铁电电容与位线的连接仅经过一个选通nmos管和一个pmos管，而不是nmos管链，从而提升读取速度。

4、本发明提出的读出方法中用于链式铁电存储单元数据读出的2c/2bl参考电压产生电路如图4所示。使用两个铁电电容ref fecap1和ref fecap2作为参考单元电容产生参考电压。参考单元电容尺寸与存储单元尺寸相同，从而避免了参考单元电容尺寸的设计复杂性。

5、2c/2bl参考电压产生电路其他部分包括预充部分、选通部分和均衡部分。复位状态下，通过控制rpre、rset1和rset2信号将两个铁电电容ref fecap1和ref fecap2预充为相反的极化状态；工作状态下使用脉冲式感测方案(如图5所示)，拉高板线电压使两电容发生极化翻转，由于ref fecap1和ref fecap2翻转量不同，导致位线寄生电容电压不同，此时ref fecap1连接的位线寄生电容电压为v1，ref fecap2连接的位线寄生电容电压为v0，随后拉低板线电压，两铁电电容均处于正向极化状态，但由于复位状态下两铁电电容极化翻转情况不同，初始状态为反向极化的铁电电容翻转为正向极化状态时翻转量更大，因此撤去板线脉冲后其连接的位线寄生电容电压更大，两位线寄生电容上的电压差|v1-v0|得以保持。随后打开选通管和平衡管，使两位线电容电压平均为参考电压

6、2c/2bl参考电压产生电路有两根输出参考位线，并且这两根输出参考位线在产生参考电压后互不干扰。本发明利用2c/2bl参考电压产生电路这一性质，提出将2c/2bl参考电压产生电路与灵敏放大器、链式铁电存储单元连接的两种形式。分别如图6和图7所示所示。图6中2c/2bl参考电压产生电路两输出参考位线分别通过两个参考位线选通管n6和n7连接至同一个灵敏放大器的两个输入端；两个链式存储单元块分别连接至灵敏放大器两个输入端sa_a和sa_b。当灵敏放大器其中一个输入端(以sa_a为例)对应的存储单元块读出数据电压时，选通管rblen1关闭，sa_b对应的选通管rblen2打开，参考电压通过sa_b接入灵敏放大器。

7、图7为2c/2bl参考电压产生电路与灵敏放大器、链式铁电存储单元连接的第二种形式。2c/2bl参考电压产生电路的其中一根输出参考位线通过n个参考位线选通管，与n个灵敏放大器连接，这n个灵敏放大器中剩余的一端分别与n个链式铁电存储单元连接；2c/2bl参考电压产生电路的另一根输出参考位线与灵敏放大器、链式铁电存储单元连接方式同理。

8、图8为灵敏放大器电路，由两个反相器首尾相连组成，pmos管m2、nmos管m4构成一个反相器，pmos管m3、nmos管m5构成另一个反相器，两反相器输入端分别为灵敏放大器两输入端，分别连接位线信号bl和参考位线信号rbl。m2，m3源极连接至一个pmos管n1的漏极，n1的源极连接至电源电压，栅极连接至使能信号saep。m4、m5源极连接至nmos管m6的漏极，m6源极连接至地，栅极连接使能信号saen。

技术特征：

1.一种链式铁电存储单元数据读出方法，其特征在于，通过两种连接方式将2c/2bl参考电压产生电路、灵敏放大器电路与链式铁电存储单元电路进行连接，控制链式铁电存储单元将铁电电容中存储电荷转换为位线电压，控制2c/2bl参考电压产生电路在参考位线上产生参考电压，控制灵敏放大器将位线电压和参考电压之间的电压差放大至全摆幅，得出链式铁电存储单元中存储的数据；

2.一种链式铁电存储单元数据读出方法，其特征在于，2c/2bl参考电压产生电路、灵敏放大器和链式铁电存储单元有两种连接方式；

技术总结本发明属于集成电路设计技术领域，提出了一种链式铁电存储单元数据读出方法。该方法使用2C/2BL参考电压产生电路产生参考电压，将2C/2BL参考电压产生电路通过两种方式与链式铁电存储单元、灵敏放大器进行连接并进行控制，读出链式铁电存储单元中存储的数据。这种数据读出方法适用范围包括但不限于传统链式铁电存储单元和改进型链式铁电存储单元。利用了2C/2BL参考电压产生电路中铁电电容面积与链式铁电存储单元电容面积相同的特点，避免了在设计传统链式存储单元数据读出电路时，对传统参考电压产生电路中的铁电电容面积进行设计的过程，从而降低了链式铁电存储单元数据读出电路的设计复杂性。技术研发人员：李建军,任建鑫,杜涛受保护的技术使用者：电子科技大学技术研发日：技术公布日：2024/6/2