DE102007001859B3 - Integrierte Schaltung, Speicherbaustein und Verfahren zum Bestimmen eines Speicherzustands einer resistiven Speicherzelle - Google Patents

Integrierte Schaltung, Speicherbaustein und Verfahren zum Bestimmen eines Speicherzustands einer resistiven Speicherzelle Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine integrierte Schaltung (200, 300), welche eine resistive Speicherzelle (210, 310, 411) und wenigstens eine Referenzzelle (220, 320, 412) aufweist. Die Speicherzelle (210, 310, 411) ist umschaltbar zwischen einem hochohmigen Speicherzustand und wenigstens einem niederohmigen Speicherzustand. Die Referenzzelle (220, 320, 412) weist einen Widerstandswert auf, welcher einen Referenzzustand wiedergibt. Über eine erste Einrichtung (60) wird eine vorgegebene Lesespannung (15) an die resistive Speicherzelle (210, 310, 411) angelegt, wobei die erste Einrichtung (60) ausgebildet ist, die Lesespannung (15) für einen ersten Widerstandsbereich zu erzeugen, welcher die Speicherzustände der Speicherzelle (210, 310, 411) umfasst. Über eine zweite Einrichtung (50) wird die vorgegebene Lesespannung (15) an die Referenzzelle (220, 320, 412) angelegt, wobei die zweite Einrichtung (50) ausgebildet ist, die Lesespannung (15) für einen gegenüber dem ersten Widerstandsbereich kleineren zweiten Widerstandsbereich zu erzeugen, welcher den Referenzzustand der Referenzzelle (220, 320, 412) umfasst. Die Erfindung betrifft ferner einen Speicherbaustein (410, 430), eine elektronische Vorrichtung (400, 420), sowie ein Verfahren zum Bestimmen eines Speicherzustands einer resistiven Speicherzelle (210, 310, 411).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine integrierte Schaltung mit einer resistiven Speicherzelle, welche umschaltbar ist zwischen einem hochohmigen Speicherzustand und wenigstens einem niederohmigen Speicherzustand, und ein Verfahren zum Bestimmen eines Speicherzustands einer resistiven Speicherzelle. Die Erfindung betrifft ferner einen Speicherbaustein mit einer Vielzahl von resistiven Speicherzellen, sowie eine elektronische Vorrichtung mit einem solchen Speicherbaustein.
  • In unterschiedlichen datenverarbeitenden Systemen und elektronischen Vorrichtungen werden sogenannte nichtflüchtige Speicherbausteine eingesetzt. Diese Speicher weisen programmierbare Speicherzellen auf, in denen eine gespeicherte Information auch ohne Energiezufuhr von außen zuverlässig erhalten bleibt. Dadurch tritt im Gegensatz zu sogenannten flüchtigen Speichern wie beispielsweise DRAM (Dynamic Random Access Memory) kein Verlieren eines Speicherinhalts unmittelbar nach Abschalten der Versorgungsspannung des Speichers auf.
  • Ein Typ eines nichtflüchtigen Speichers ist der sogenannte Flash-Speicher. Bei diesem Speichertyp besteht eine einzelne Speicherzelle aus einem FET-Transistor (Field Effect Transistor), welcher eine als „Floating Gate" bezeichnete isolierte Hilfselektrode zwischen dem Gate und der Source-Drain-Strecke (Kanal) des Transistors aufweist. Zum Programmieren der Flash-Speicherzelle wird ein hohes positives Potential an das Gate angelegt, wodurch eine elektrische Ladung (Elektronen) auf die Hilfselektrode aufgebracht wird. Der ungeladene Zustand der Flash-Speicherzelle wird wieder erreicht, indem die Ladung auf der Hilfselektrode durch Anlegen eines hohen nega tiven Potentials an das Gate aus der Hilfselektrode ausgetrieben wird. Die Ladung auf der Hilfselektrode gibt dabei die Leitfähigkeit bzw. den Widerstand der Source-Drain-Strecke bei am Gate aufgesteuerten Transistor vor, was zur Festlegung eines Speicherzustands der Flash-Speicherzelle genutzt wird.
  • Darüber hinaus sind nichtflüchtige resistive Speicher bekannt, welche auf dem Ausnutzen weiterer elektrischer Eigenschaften und Phänomene basieren. Hierunter fällt insbesondere der CBRAM-Speicher (Conductive Bridging RAM), bei welchem eine Speicherzelle ein Widerstandsspeicherelement mit einem zwischen zwei Elektroden angeordneten Elektrolytmaterial mit einem hohen spezifischen Widerstand aufweist. Durch Anlegen einer Programmierspannung an die Elektroden kann ein leitender Pfad in dem Elektrolytmaterial aufgebaut werden, wodurch die resistive Speicherzelle von einem hochohmigen Widerstandszustand in einen niederohmigen Widerstandszustand übergeht. Der Wechsel von dem hochohmigen Speicherzustand in den niederohmigen Speicherzustand kann durch Anlegen einer entsprechenden Löschspannung wieder rückgängig gemacht werden. Die unterschiedlichen Widerstände definieren dabei detektierbare Speicherzustände der Speicherzelle.
  • Ein weiterer resistiver Speicher ist der sogenannte Phasenwechselspeicher, auch als PCRAM (Phase Change RAM) bezeichnet. Hierbei weist eine Speicherzelle ein Widerstandsspeicherelement mit einem zwischen zwei Elektroden angeordneten Phasenwechselmaterial, in der Regel eine Metalllegierung, auf. Mittels elektrischer Pulse kann das Phasenwechselmaterial erhitzt und damit zwischen einem (ursprünglich) amorphen und einem kristallinen Phasenzustand hin und her geschaltet werden. In Abhängigkeit des Phasenzustands wird die resistive Speicherzelle dabei in einen hochohmigen Speicherzustand (amorphe Phase) und in einen niederohmigen Speicherzustand (kristalline Phase) versetzt, was zur Informationsspeicherung genutzt wird.
  • Zum Auslesen einer Information aus einer Speicherzelle eines CBRAM- und eines PCRAM-Speicherbausteins kann eine vorgegebene Lesespannung mithilfe einer Ausleseschaltung an die Speicherzelle angelegt werden, um einen elektrischen Stromfluss durch die Speicherzelle hervorzurufen. Die Stärke des elektrischen Stroms ist dabei abhängig von dem Widerstandszustand der resistiven Speicherzelle. Durch Erfassen einer von dem Strom abhängigen elektrischen Messgröße, in der Regel ein Spannungsabfall an einem in Serie zu der Speicherzelle angeordneten Lastelement, kann daher der Speicherzustand der Speicherzelle bestimmt werden. Zu diesem Zweck wird die elektrische Messgröße mit einer Referenzgröße verglichen. Die Referenzgröße wird üblicherweise in Abhängigkeit eines elektrischen Stromes gewonnen, welcher durch Anlegen der vorgegebenen Lesespannung an zwei parallel geschalteten und als Referenz dienenden resistiven Speicherzellen hervorgerufen wird. Eine dieser Referenzzellen befindet sich dabei in einem hochohmigen Widerstandszustand, wohingegen sich die andere Referenzzelle in einem niederohmigen Widerstandszustand befindet, so dass die parallel geschalteten Referenzzellen einen Referenzzustand an zwei parallel geschalteten Lastelementen mit einem Widerstandswert zwischen dem hochohmigen und dem niederohmigen Speicherzustand wiedergeben.
  • Da sich die Widerstandszustände einer resistiven Speicherzelle eines CBRAM- und eines PCRAM-Speichers um mehrere Größenordnungen unterscheiden, können sich abhängig von der eingesetzten Spannungsquelle beträchtliche Abweichungen zwischen der tatsächlich an der Speicherzelle anliegenden Spannung und der gewünschten Lesespannung ergeben. Eine zuverlässige Bewertung des Speicherzustands der resistiven Speicherzelle erfordert jedoch das Anlegen einer konstanten und reproduzierbaren Lesespannung an die Speicherzelle. So kann insbesondere ein kleiner Widerstandswert der Speicherzelle zur Folge haben, dass eine an der Speicherzelle anliegende Spannung einbricht, wodurch auch kein für die Bewertung erforderlicher Stromfluss mehr möglich ist. Um derartige Beeinträchtigungen zu verhindern, wird die an die resistive Speicherzelle und die Referenzzellen angelegte Spannung bei CBRAM- bzw. PCRAM-Speicherbausteinen mithilfe von Spannungsregeleinheiten auf die vorgegebene Lesespannung geregelt. Eine Spannungsregeleinheit weist hierbei üblicherweise einen rückgekoppelten Operationsverstärker und einen an einen Ausgang des Operationsverstärkers angeschlossenen Regeltransistor auf, was mit einem gewissen Schaltungsaufwand verbunden ist.
  • Die US 6,597,598 B1 offenbart einen Speicherbaustein mit resistiven Speicherzellen. Eine Lesespannung, welche zum Auslesen eines Speicherzustands an eine Speicherzelle und eine Referenzzelle angelegt wird, wird hierbei mithilfe von Spannungsregeleinheiten erzeugt.
  • Anstelle eine Speicherzelle eines Speicherbausteins als binär codierte Speicherzelle zum Speichern eines Bits einzusetzen und die Speicherzelle lediglich zwischen zwei unterschiedlichen Widerstandszuständen (logisch „0", logisch „1") hin und her zu schalten, besteht die Möglichkeit, eine Speicherzelle als sogenannte Multilevel-Zelle (MLC, Multi Level Cell) zur Speicherung von mehreren Bits mithilfe einer größeren Anzahl an Speicherzuständen zu betreiben. Beispielsweise sind für die Speicherung von 2-Bit-Informationen vier unterscheidbare Widerstandszustände einer Speicherzelle erforderlich.
  • Eine Multilevel-Betriebsweise von Speicherzellen ist bei Flash-Speichern bekannt. Zum Bestimmen eines Speicherzustands einer Flash-Speicherzelle wird hierbei eine vorgegebene Lesespannung an die Flash-Speicherzelle bzw. an deren Source-Drain-Strecke angelegt sowie eine elektrische Messgröße in Abhängigkeit eines hierdurch verursachten elektrischen Stroms erfasst. Die elektrische Messgröße wird mit Referenzgrößen eines elektrischen Stroms verglichen, welcher durch Anlegen der vorgegebenen Lesespannung an Referenzzellen hervorgerufen wird. Die Referenzzellen weisen dabei Referenzzustände mit Widerstandswerten zwischen den einzelnen Speicherzuständen der auszulesenden Flash-Speicherzelle auf. Beispielsweise werden bei einer 2-Bit-Betriebsweise drei Referenzzellen mit jeweils unterschiedlichen Referenzzuständen eingesetzt, um zu bestimmen, in welchem von vier möglichen Speicherzuständen sich die Flash-Speicherzelle befindet. Das Einstellen der vorgegebenen Lesespannung an der zu bewertenden Flash- Speicherzelle und an den Referenzzellen erfolgt hierbei mithilfe von Transistoren, welche als Sourcefolger betrieben werden.
  • Auch bei einem CBRAM- und einem PCRAM-Speicherbaustein ist die Möglichkeit einer Multilevel-Betriebsweise gegeben, da eine resistive Speicherzelle zwischen einem hochohmigen Speicherzustand und mehreren niederohmigen Speicherzuständen hin und hergeschaltet werden kann. Zum Bewerten des Speicherzustands einer resistiven Speicherzelle kann das von Flash-Speichern bekannte Auslesekonzept jedoch nicht angewendet werden, da die Widerstandszustände von resistiven Speicherzellen im Unterschied zu Flash-Speicherzellen in einem Widerstandsbereich liegen, welcher wie oben beschrieben mehrere Größenordnungen umfasst. Ein Vorgeben der Lesespannung mithilfe von als Sourcefolger geschalteten Transistoren hätte daher einen Abfall der Lesespannung bei niederohmigen Speicherzuständen zur Folge, wodurch eine Bewertung beeinträchtigt wird bzw. nicht mehr möglich ist. Zwar könnte eine derartige Beeinträchtigung mithilfe der oben beschriebenen Spannungsstabilisierung bzw. -regelung kompensiert werden. Das Vorsehen von Spannungsregeleinheiten sowohl für Speicherzellen als auch für Referenzzellen hätte jedoch einen relativ hohen Schaltungsaufwand und damit einen relativ hohen Platzbedarf eines Speicherbausteins mit einer Multilevel-Betriebsweise zur Folge.
  • Aus der US 5,828,616 ist ein Flash-Speicher bekannt, bei dem die Flash-Speicherzellen als Multilevel-Zellen zum Speichern von beispielsweise 2-Bit-Informationen betrieben werden. Eine an eine auszulesende Speicherzelle und an zugehörige Referenzzellen angelegte Lesespannung wird hierbei mithilfe von Spannungsregeleinheiten erzeugt.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte Lösung zum Anlegen einer Lesespannung für eine integrierte Schaltung, einen Speicherbaustein und eine elekt ronische Vorrichtung mit resistiven Speicherzellen anzugeben. Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Bestimmen eines Speicherzustands einer resistiven Speicherzelle bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird durch eine integrierte Schaltung gemäß Anspruch 1, einen Speicherbaustein gemäß Anspruch 9, eine e lektronische Vorrichtung gemäß Anspruch 23 und ein Verfahren gemäß Anspruch 24 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine integrierte Schaltung vorgeschlagen, welche eine resistive Speicherzelle und wenigstens eine Referenzzelle aufweist. Die resistive Speicherzelle ist umschaltbar zwischen einem hochohmigen Speicherzustand und wenigstens einem niederohmigen Speicherzustand. Die Referenzzelle weist einen Widerstandswert auf, welcher einen Referenzzustand wiedergibt. Die integrierte Schaltung weist des weiteren eine erste Einrichtung zum Anlegen einer vorgegebenen Lesespannung an die resistive Speicherzelle auf. Die erste Einrichtung ist ausgebildet, die Lesespannung für einen ersten Widerstandsbereich zu erzeugen, welcher die Speicherzustände der resistiven Speicherzelle umfasst. Die integrierte Schaltung weist ferner eine zweite Einrichtung zum Anlegen der vorgegebenen Lesespannung an die Referenzzelle auf. Die zweite Einrichtung ist ausgebildet, die Lesespannung für einen gegenüber dem ersten Widerstandsbereich kleineren zweiten Widerstandsbereich zu erzeugen, welcher den Referenzzustand der Referenzzelle umfasst.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Speicherbaustein vorgeschlagen, welcher eine Vielzahl von Wortleitungen und Bitleitungen und eine Vielzahl von resistiven Speicherzellen und Referenzzellen aufweist. Eine resistive Speicherzelle ist an einem Kreuzungspunkt einer Wortleitung und einer Bitleitung angeordnet und ist umschaltbar zwischen einem hochohmigen Speicherzustand und wenigstens einem niederohmigen Speicherzustand. Eine Referenzzelle ist an einem Kreuzungspunkt einer Wortleitung und einer Bitleitung angeordnet und weist einen Widerstandswert auf, welcher einen Referenzzustand wiedergibt. Der Speicherbaustein weist eine erste Einrichtung zum Anlegen einer vorgegebenen Lesespannung an eine resistive Speicherzelle zum Hervorrufen eines elekt rischen Stroms in einer der resistiven Speicherzelle zugeordneten Bitleitung auf. Die erste Einrichtung ist ausgebildet, die Lesespannung für einen ersten Widerstandsbereich zu erzeugen, welcher die Speicherzustände der resistiven Speicherzelle umfasst. Der Speicherbaustein weist des weiteren eine zweite Einrichtung zum Anlegen der vorgegebenen Lesespannung an eine Referenzzelle zum Hervorrufen eines elektrischen Stroms in einer der Referenzzelle zugeordneten Bitleitung auf. Die zweite Einrichtung ist ausgebildet, die Lesespannung für einen gegenüber dem ersten Widerstandsbereich kleineren zweiten Widerstandsbereich zu erzeugen, welcher den Referenzzustand der Referenzzelle umfasst. Der Speicherbaustein weist ferner eine Auswerteeinrichtung auf, um den Speicherzustand einer resistiven Speicherzelle zu bestimmen.
  • Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine elektronische Vorrichtung mit einem solchen, vorstehend beschriebenen Speicherbaustein vorgeschlagen.
  • Aufgrund der Tatsache, dass die zweite Einrichtung im Unterschied zu der ersten Einrichtung ausgebildet ist, die Lesespannung an einer Referenzzelle für einen Widerstandsbereich zu erzeugen, welcher lediglich den Widerstandswert der Referenzzelle und nicht den gesamten Widerstandsbereich einer resistiven Speicherzelle umfasst, kann die zweite Einrichtung gegenüber der ersten Einrichtung mit einem geringeren Schaltungsaufwand verwirklicht werden. Infolgedessen weisen die integrierte Schaltung, der Speicherbaustein und die elektronische Vorrichtung einen geringen Platzbedarf auf.
  • Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Bestimmen eines Speicherzustands einer resistiven Speicherzelle vorgeschlagen, wobei die resistive Speicherzelle umschaltbar ist zwischen einem hochohmigen Speicherzustand und wenigstens einem niederohmigen Speicherzustand. Eine vorgegebenen Lesespannung wird an die resistive Speicherzelle angelegt. Die Lesespannung wird hierbei für ei nen ersten Widerstandsbereich erzeugt, welcher die Speicherzustände der resistiven Speicherzelle umfasst. Eine elektrische Messgröße wird in Abhängigkeit eines durch die Lesespannung an der resistiven Speicherzelle hervorgerufenen elektrischen Stroms erfasst. Die vorgegebene Lesespannung wird des weiteren an eine Referenzzelle angelegt, wobei die Referenzzelle einen Widerstandswert aufweist, welcher einen Referenzzustand wiedergibt. Die Lesespannung wird hierbei für einen gegenüber dem ersten Widerstandsbereich kleineren zweiten Widerstandsbereich erzeugt, welcher den Referenzzustand der Referenzzelle umfasst. Eine elektrische Referenzgröße wird in Abhängigkeit eines durch die Lesespannung an der Referenzzelle hervorgerufenen elektrischen Stroms erfasst. Der Speicherzustand der resistiven Speicherzelle wird anhand eines Vergleichs der Messgröße mit der Referenzgröße bestimmt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht ein zuverlässiges Bestimmen des Speicherzustands der resistiven Speicherzelle, da die Lesespannung an der Speicherzelle für einen sämtliche Speicherzustände der Speicherzelle umfassenden Widerstandsbereich erzeugt wird. Dadurch, dass die Lesespannung an der Referenzzelle hingegen für einen Widerstandsbereich erzeugt wird, welcher lediglich den Referenzzustand der Referenzzelle umfasst, erfordert das Verfahren einen geringen Schaltungsaufwand.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die erste Einrichtung eine Spannungsregeleinheit auf, durch welche eine an der resistiven Speicherzelle anliegende Spannung auf die vorgegebene Lesespannung geregelt wird. Für den Fall, dass sich die resistive Speicherzelle in einem niederohmigen Speicherzustand befindet, kann die Speicherzelle einen Spannungsabfall verursachen, den die Spannungsregeleinheit durch Anheben der Spannung auf die vorgegebene Lesespannung kompensiert.
  • Vorzugsweise weist die Spannungsregeleinheit einen rückgekoppelten Operationsverstärker und einen mit dem Operationsverstärker verbundenen Regeltransistor auf.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein geringer Platzbedarf bzw. Schaltungsaufwand bei einem Speicherbaustein dadurch begünstigt, dass die Spannungsregeleinheit schaltbar mit den Bitleitungen verbunden ist. In einer solchen Ausführungsform kann ein Speicherbaustein lediglich eine Spannungsregeleinheit für sämtliche resistiven Speicherzellen aufweisen.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die zweite Einrichtung einen als Sourcefolger betriebenen Transistor zum Einstellen der Lesespannung an der Referenzzelle auf. Auf diese Weise lässt sich die zweite Einrichtung mit einem geringen Schaltungsaufwand verwirklichen.
  • Die vorteilhaften Wirkungen der Erfindung werden insbesondere bei solchen Ausführungsformen erzielt, bei welchen Speicherzellen als Multilevel-Zellen zum Speichern von mehr als 1 Bit betrieben werden. In Betracht kommt hierbei beispielsweise eine Multilevel-Betriebsweise zum Speichern von 2-Bit-Informationen. Die resistive Speicherzelle ist daher vorzugsweise umschaltbar zwischen einem hochohmigen Speicherzustand und drei niederohmigen Speicherzuständen.
  • Um den Speicherzustand einer solchen resistiven Speicherzelle zuverlässig zu bestimmen, sind der Speicherzelle vorzugsweise drei Referenzzellen zugeordnet. Die drei Referenzzellen weisen drei unterschiedliche Widerstandswerte zum Wiedergeben von Referenzzuständen zwischen den einzelnen Speicherzuständen der resistiven Speicherzelle auf. Der zweite Widerstandsbereich der zweiten Einrichtung umfasst hierbei die drei unterschiedlichen Referenzzustände.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden drei elektrische Referenzgrößen jeweils in Abhängigkeit eines durch die Lesespannung an den drei Referenzzellen hervorgerufenen elektrischen Stroms erfasst. Der Speicherzustand der resistiven Speicherzelle wird anhand eines Vergleichs der der resistiven Speicherzelle zugeordneten elektrischen Messgröße mit den drei Referenzgrößen bestimmt.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist eine resistive Speicherzelle ein Widerstandsspeicherelement und einen Auswahltransistor auf. Bei dem Widerstandsspeicherelement kann es sich um ein CBRAM- oder ein PCRAM-Widerstandsspeicherelement handeln.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die beigefügten Figuren nur typische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darstellen und daher den Umfang der Erfindung nicht einschränken. Die Erfindung kann andere, ebenso wirksame Ausführungsformen umfassen. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer herkömmlichen integrierten Schaltung zum Auslesen einer als Multilevel-Zelle betriebenen Flash-Speicherzelle;
  • 2 eine schematische Darstellung einer integrierten Schaltung zum Auslesen einer als Multilevel-Zelle betriebenen resistiven Speicherzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 3 eine schematische Darstellung einer integrierten Schaltung zum Auslesen einer als Multilevel-Zelle betriebenen resistiven Speicherzelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 4 eine schematische Darstellung einer elektronischen Vorrichtung mit einem Speicherbaustein gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
  • 5 eine schematische Darstellung einer elektronischen Vorrichtung mit einem Speicherbaustein gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer herkömmlichen integrierten Schaltung 100 zum Auslesen einer Flash-Speicherzelle 110, welche als Multilevel-Zelle zum Speichern von 2-Bit-Informationen betrieben wird. Die als Speichertransistor ausgeführte Speicherzelle 110 kann hierbei in einen von vier Speicherzuständen mit unterschiedlichen Widerstandswerten der Source-Drain-Strecke versetzt werden, welche mithilfe der Schaltung 100 evaluiert werden können. Zu diesem Zweck sind der Speicherzelle 110 drei Referenzzellen 120 zugeordnet, welche Referenzzustände mit Widerstandswerten zwischen den einzelnen Speicherzuständen der Speicherzelle 110 aufweisen. Auch bei den Referenzzellen 120 handelt es sich wie in 1 dargestellt um Flash-Speicherzellen, welche in die entsprechenden unterschiedlichen Referenzzustände versetzt sind.
  • Die Schaltung 100 weist eine Wortleitung 20 auf, welche mit den Steueranschlüssen bzw. Gates der Speicherzelle 110 und der Referenzzellen 120 verbunden ist. Durch Anlegen eines Aktivierungspotentials an die Wortleitung 20 können die Speicherzelle 110 und die Referenzzellen 120 für eine Bewertung aktiviert werden.
  • Ein erster Anschluss (Source/Drain) der Speicherzelle 110 und der Referenzzellen 120 ist jeweils mit einem hohen Potential 12, beispielsweise einer Versorgungsspannung verbunden. Ein zweiter Anschluss (Source/Drain) der Speicherzelle 110 und der Referenzzellen 120 ist jeweils an eine Bitleitung 21 angeschlossen. Eine Bitleitung 21 ist jeweils mit einem ersten Anschluss (Source/Drain) eines p-Kanal Transistors 50 verbunden.
  • Die Transistoren 50, welche als Sourcefolger betrieben werden, sind mit ihren Gates an eine Steuerleitung 25 angeschlossen, und jeweils über einen zweiten Anschluss (Source/Drain) mit einem ersten Anschluss eines Lastelements 30 verbunden. Die Lastelemente 30 sind vorliegend als Diode geschaltete n-Kanal Transistoren ausgebildet, welche jeweils über einen zweiten Anschluss mit einem Massepotential 10 verbunden sind.
  • Darüber hinaus weist die Schaltung 100 drei Ausleseverstärker 40 auf. Über die Ausleseverstärker 40 wird jeweils ein Potential an einem Knoten 31 bzw. an dem ersten Anschluss der Diode 30 des Leitungspfades der Speicherzelle 110 und an einem Knoten 31 bzw. an dem ersten Anschluss einer Diode 30 des Leitungspfades einer Referenzzelle 120 abgetastet. Die Ausleseverstärker 40 sind hierzu über entsprechende Leitungen mit den Knoten 31 bzw. den ersten Anschlüssen der Dioden 30 verbunden.
  • Im Betrieb der Schaltung 100 wird die Wortleitung 20 durch Anlegen eines Aktivierungspotentials aktiviert, um die Speicherzelle 110 und die Referenzzellen 120 für eine Bewertung frei zu schalten. Auch werden die Transistoren 50 durch Anlegen eines Steuerpotentials an die Steuerleitung 25 durchgeschaltet.
  • Auf diese Weise wird jeweils an den ersten Anschluss (Source/Drain) der Transistoren 50 bzw. an einen Knoten 51 ein vorgegebenes Potential an eine Bitleitung 21 angelegt, wodurch an der Speicherzelle 110 und den Referenzzellen 120 jeweils eine vorgegebene Lesespannung eingestellt wird. Dies hat zur Folge, dass in den Leitungspfaden der Speicherzelle 110 und der Referenzzellen 120 jeweils ein elektrischer Strom von dem hohen Potential 12 zu dem Massepotential 10 fließt.
  • Die Stärke des Stroms ist dabei jeweils abhängig von dem Widerstandszustand der Speicherzelle 110 und der Referenzzellen 120, und gibt daher jeweils einen Spannungsabfall an den Dioden 30 vor, welcher mithilfe eines Ausleseverstärkers 40 durch Abgreifen eines Potentials an einem Knoten 31 abgetastet werden kann.
  • Das Potential an dem Knoten 31 des Leitungspfades der Speicherzelle 110 kann folglich mithilfe der Ausleseverstärker 40 mit den Potentialen an den Knoten 31 der Leitungspfade der Referenzzellen 120 verglichen werden, um den Speicherzustand der Speicherzelle 110 zu bestimmen. Hierbei verstärken die Ausleseverstärker 40 jeweils einen Unterschied zwischen dem an dem Knoten 31 des Leitungspfades der Speicherzelle 110 und an einem Knoten 31 eines Leitungspfades einer Referenzzelle 120 anliegenden Potential. Auf der Grundlage der verstärkten Potentialunterschiede kann der Speicherzustand der Speicherzelle 110 ermittelt werden.
  • Auch bei einer resistiven Speicherzelle wie einer CBRAM- und einer PCRAM-Speicherzelle besteht die Möglichkeit, die Speicherzelle als Multilevel-Zelle zu betreiben. Hierbei wird ausgenutzt, dass die resistive Speicherzelle zwischen einem hochohmigen Speicherzustand und mehreren niederohmigen Speicherzuständen hin- und hergeschaltet werden kann. Bei einer derartigen resistiven Speicherzelle kann die in 1 dargestellte integrierte Schaltung 100 jedoch nicht zum Bewerten eines Speicherzustands eingesetzt werden, da die Widerstandszustände der Speicherzelle im Unterschied zu einer Flash-Speicherzelle in einem Widerstandsbereich liegen, welcher mehrere Größenordnungen umfasst. Der Einsatz eines als Sourcefolger betriebenen Transistors zum Einstellen einer Lesespannung an der resistiven Speicherzelle hätte bei einem niederohmigen Speicherzustand zur Folge, dass die Speicherzelle einen Spannungsabfall verursacht und infolgedessen kein Stromfluß mehr möglich ist. Bei den in den folgenden Figuren dargestellten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird eine derartige Beeinträchtigung mit einem relativ geringen Schaltungsaufwand dadurch vermieden, dass unterschiedliche Einrichtungen für das Anlegen der Lesespannung an zu bewertenden resistiven Speicherzellen und an Referenzzellen vorgesehen sind.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung einer integrierten Schaltung 200 zum Auslesen einer als Multilevel-Zelle betriebenen resistiven Speicherzelle 210 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Speicherzelle 210 weist ein Widerstandsspeicherelement 211 und einen Auswahltransistor 212 auf. Der Widerstand des Widerstandsspeicherelements 211 gibt dabei den Speicherzustand der Speicherzelle 210 vor.
  • Beispielsweise ist die Speicherzelle 210 eine CBRAM-Speicherzelle, bei der das Widerstandsspeicherelement 211 zwei Elektroden und ein zwischen den Elektroden angeordnetes Elektrolytmaterial mit einem hohen spezifischen Widerstand aufweist (nicht dargestellt). Die Speicherzelle 210 befindet sich daher in einem hochohmigen Speicherzustand, sofern das Widerstandsspeicherelement 211 nicht programmiert ist. Durch Anlegen von Spannungen an die Elektroden mithilfe von in 2 nicht dargestellten Schaltungselementen kann ein leitender Pfad in dem Elektrolytmaterial ausgebildet bzw. wieder rückgebildet werden. In Abhängigkeit des Grades der Ausbildung des leitenden Pfades in dem Elektrolytmaterial des Widerstandsspeicherelements 211 weist die Speicherzelle 210 einen von mehreren niederohmigen Speicherzuständen auf.
  • Die in 2 dargestellte Speicherzelle 210 wird beispielsweise in einen von vier möglichen Speicherzuständen zur Speicherung von 2-Bit-Informationen versetzt, d.h. dass die Speicherzelle 210 umschaltbar ist zwischen dem hochohmigen Speicherzustand und drei niederohmigen Speicherzuständen. Beispielsweise entspricht der hochohmige Speicherzustand der Speicherzelle 210 einem effektiven elektrischen Widerstand von 1 GΩ, während die niederohmigen Speicherzustände der Speicherzelle 210 Widerstandswerten im kΩ-Bereich, d.h. beispielsweise 10 kΩ, 30 kΩ und 50 kΩ, entsprechen.
  • Eine Bewertung des Speicherzustands der Speicherzelle 210 wird mithilfe von drei der Speicherzelle 210 zugeordneten Referenzzellen 220 durchgeführt, welche unterschiedliche Widerstandswerte zum Wiedergeben von Referenzzuständen zwischen den einzelnen Speicherzuständen der Speicherzelle 210 aufweisen. Sämtliche Referenzzustände können in einem gegenüber dem hochohmigen Speicherzustand der Speicherzelle 210 niederohmigen, relativ kleinen Widerstandsbereich, d.h. zweistelligen kΩ-Bereich liegen, und effektiven elektrischen Widerständen von beispielsweise 20 kΩ, 40 kΩ und 80 kΩ entsprechen.
  • Die Referenzzellen 220 sind wie in 2 dargestellt resistive Speicherzellen mit jeweils einem Widerstandsspeicherelement 211 und einem Auswahltransistor 212, welche in die entsprechenden unterschiedlichen Referenzzustände geschaltet sind. Auf diese Weise wird eine hohe Zuverlässigkeit der Bewertung des Speicherzustands der Speicherzelle 210 erzielt, da bei einem Herstellungsprozess der Speicherzelle 210 auftretende und die elektrischen Eigenschaften der Speicherzelle 210 beeinflussende Prozessabweichungen in entsprechender Weise bei der Herstellung der Referenzzellen 220 vorliegen.
  • Sowohl bei der Speicherzelle 210 als auch bei den Referenzzellen 220 ist ein erster Anschluss des Widerstandsspeicherelements 211 mit einem hohen Potential 12 und ein zweiter Anschluss des Widerstandsspeicherelements 211 mit einem ersten Source/Drain-Anschluss des Auswahltransistors 212 verbunden. Das Potential 12 wird auch als Plattenpotential bezeichnet. Ein zweiter Source/Drain-Anschluss des Auswahltransistors 212 ist jeweils an eine Bitleitung 21, und ein Steueranschluss bzw. Gate des Auswahltransistors 212 jeweils an eine Wortleitung 20 angeschlossen.
  • Der weitere Aufbau der Leitungspfade der Referenzzellen 220 entspricht dem Aufbau der Leitungspfade der in 1 dargestellten herkömmlichen Schaltung 100. Eine Bitleitung 21 ist jeweils mit einem ersten Source/Drain-Anschluss eines als Sourcefolger geschalteten p-Kanal Transistors 50 verbunden. Ein Gate eines Transistors 50 ist jeweils an eine Steuerleitung 25, und ein zweiter Source/Drain-Anschluss eines Transistors 50 jeweils an einen ersten Anschluss eines als Diode 30 geschalteten n-Kanal Transistors (Lastelement) angeschlossen. An einen zweiten Anschluss einer Diode 30 ist jeweils ein Massepotential 10 angelegt. Ein Spannungsabfall an einer Diode 30 wird jeweils durch einen von drei Ausleseverstärkern 40 abgetastet. Die Ausleseverstärker 40 sind daher über entsprechende Leitungen jeweils mit einem Anschluss einer Diode 30 bzw. einem Knoten 31 zwischen einer Diode 30 und einem Transistor 50 verbunden, um ein an einem Knoten 31 anliegendes Potential abzugreifen.
  • Im Unterschied hierzu ist in dem Leitungspfad der auszulesenden Speicherzelle 210 anstelle eines als Sourcefolger betriebenen Transistors 50 eine Spannungsregeleinheit 60 vorgesehen. Die Spannungsregeleinheit 60 weist einen rückgekoppelten Operationsverstärker 61 und einen Regeltransistor 62 auf. Der Regeltransistor 62 ist als p-Kanal Transistor ausgebildet. Hierbei sind die Source/Drain-Anschlüsse des Regeltransistors 62 mit der Bitleitung 21 und mit einer n-Kanal Diode 30, und das Gate des Regeltransistors 62 mit einem Ausgang des Operationsverstärkers 61 verbunden. An einen ersten Eingang des Operationsverstärkers 61 wird ein konstantes Bezugspotential 11 angelegt. Über eine Rückkopplungsleitung 63 wird ein an einem Source/Drain-Anschluss des Regeltransistors 62 bzw. an einem Knoten 64 der Bitleitung 21 anliegendes Potential an einen zweiten Eingang des Operationsverstärkers 61 angelegt.
  • Zum Abtasten eines Spannungsabfalls an der Diode 30 des Leitungspfades der Speicherzelle 210 sind die drei Ausleseverstärker 40 über entsprechende Leitungen mit dem zugehörigen Anschluss der Diode 30 bzw. Knoten 31 zwischen der Diode 30 und dem Regeltransistor 62 verbunden. An einen zweiten Anschluss der Diode 30 ist das Massepotential 10 angelegt.
  • Zum Evaluieren des Speicherzustandes der Speicherzelle 210 wird die Wortleitung 20 durch Anlegen eines entsprechenden Aktivierungspotentials aktiviert, wodurch die Auswahltransistoren 212 der Speicherzelle 210 und der Referenzzellen 220 durchschalten. Auf diese Weise werden die Widerstandsspeicherelemente 211 der Speicherzelle 210 und der Referenzzellen 220 über die durchgeschalteten Auswahltransistoren 212 leitend mit den Bitleitungen 21 verbunden.
  • Darüber hinaus wird sowohl an die Speicherzelle 210 als auch an die Referenzzellen 220 eine vorgegebene Lesespannung 15 angelegt, um das Fliessen eines elektrischen Stroms in den einzelnen Leitungspfaden von dem hohen Potential 12 zu dem Massepotential 10 zu verursachen, dessen Stärke jeweils von den Widerstandszuständen der Speicherzelle 210 und der Referenzzellen 220 abhängt. Die Lesespannung 15 fällt dabei, wie in 2 anhand von Pfeilen angedeutet, im Wesentlichen über den Widerstandsspeicherelementen 211 ab.
  • Aufgrund der Tatsache, dass sämtliche Referenzzustände der Referenzzellen 220 in einem niederohmigen und insbesondere relativ kleinen Widerstandsbereich liegen, lässt sich die vorgegebene Lesespannung 15 zuverlässig und mit einem geringen Schaltungsaufwand bzw. Platzbedarf mithilfe der als Sourcefolger geschalteten Transistoren 50 an den Referenzzellen 220 einstellen. Eine Lesespannung 15 an einer Referenzzelle 220 entspricht dabei im Wesentlichen der Differenz zwischen dem hohen Potential 12 und einem gegenüber dem Potential 12 niedrigeren Potential auf der entsprechenden Bitleitung 21, d.h. einem Potential an einem Knoten 51 bzw. Source/Drain-Anschluss eines Transistors 50. An die mit dem Gate eines Transistors 50 verbundene Steuerleitung 25 wird daher ein Steuerpotential angelegt, welches der Summe aus dem die Lese spannung 15 bestimmenden Potential an einem Knoten 51 und einer an einem Transistor 50 abfallenden Gate-Source- bzw. Einsatzspannung entspricht. Auf diese Weise wird das Potential an einem Knoten 51 und damit die vorgegebene Lesespannung 15 an einer Referenzzelle 220 für sämtliche Referenzzustände zuverlässig festgelegt.
  • Die an der Speicherzelle 210 anliegende Spannung entspricht im Wesentlichen der Differenz zwischen dem hohen Potential 12 und einem Potential auf der Bitleitung 21, d.h. einem Potential an dem Knoten 64 bzw. Source/Drain-Anschluss des Regeltransistors 62. Das Potential an dem Knoten 64 wird über die Rückkopplungsleitung 63 an den zweiten Eingang des Operationsverstärkers 61 angelegt. Wie für einen solchen Schaltkreis üblich versucht der Operationsverstärker 61 das an dem Knoten 64 anliegende Potential auf das über den ersten Eingang des Operationsverstärkers 61 angelegte Bezugspotential 11 zu regeln. Das Bezugspotential 11 ist dabei auf die vorgegebene Lesespannung 15 abgestimmt. Auf diese Weise wird das Potential an dem Knoten 64 auf das Bezugspotential 11, und damit die an der Speicherzelle 210 anliegende Spannung zuverlässig auf die vorgegebene Lesespannung 15 geregelt. Dies gilt für einen relativ großen Widerstandsbereich, welcher sowohl den hochohmigen Speicherzustand als auch die niederohmigen Speicherzustände der Speicherzelle 210 umfasst. Insbesondere bei einem niederohmigen Speicherzustand der Speicherzelle 210 wird ein Einbrechen der Spannung mithilfe der Spannungsregeleinheit 60 durch Anheben der Spannung auf die vorgegebene Lesespannung 15 kompensiert.
  • Der elektrische Strom in den einzelnen Leitungspfaden gibt einen Spannungsabfall an den der Speicherzelle 210 und den Referenzzellen 220 zugeordneten Dioden 30 und damit die Höhe der Potentiale an den Anschlüssen der Dioden 30 bzw. an den Knoten 31 vor, was wiederum durch die Ausleseverstärker 40 abgetastet wird. Dabei werden die Potentiale an den Knoten 31 der Leitungspfade der Referenzzellen 220 von jeweils einem der drei Ausleseverstärker 40, und das Potential an dem Knoten 31 des Leitungspfades der Speicherzelle 210 von allen drei Ausleseverstärkern 40 abgegriffen, um die Potentiale zu vergleichen. Die jeweiligen Unterschiede der an den Knoten 31 erfassten Potentiale werden durch die Ausleseverstärker 40 verstärkt. Anhand der verstärkten Potentialunterschiede kann der Speicherzustand der Speicherzelle 210 bestimmt werden.
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung einer integrierten Schaltung 300 zum Auslesen einer als Multilevel-Zelle betriebenen resistiven Speicherzelle 310 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Aufbau der Schaltung 300 und deren Funktionsweise entspricht im Wesentlichen der in 2 dargestellten Schaltung 200.
  • Die Speicherzelle 310, welche ein Widerstandsspeicherelement 311 und einen Auswahltransistor 312 aufweist, ist beispielsweise eine PCRAM-Speicherzelle. Hierbei weist das Widerstandsspeicherelement 311 zwei Elektroden und ein zwischen den Elektroden angeordnetes Phasenwechselmaterial auf (nicht dargestellt). Durch Anlegen von elektrischen Pulsen an die Elektroden mithilfe von in 3 nicht dargestellten Schaltungselementen kann das Phasenwechselmaterial erhitzt und damit zwischen einem amorphen und einem kristallinen Phasenzustand hin und her geschaltet werden. In Abhängigkeit des Grades der Ausbildung des kristallinen Phasenzustands kann die Speicherzelle 310 neben einem hochohmigen Speicherzustand einen von mehreren niederohmigen Speicherzuständen aufweisen.
  • Auch bei der in 3 dargestellten Schaltung 300 wird die Speicherzelle 310 beispielsweise in einen von vier möglichen Speicherzuständen zur Speicherung von 2-Bit-Informationen versetzt, d.h. dass die Speicherzelle 310 umschaltbar ist zwischen dem hochohmigen Speicherzustand und drei niederohmigen Speicherzuständen. Beispielsweise entspricht der hochohmige Speicherzustand der Speicherzelle 310 einem effektiven elektrischen Widerstand von 1 MΩ, wohingegen die niederohmi gen Speicherzustände der Speicherzelle 310 Widerstandswerten im kΩ-Bereich, d.h. beispielsweise 1 kΩ, 3 kΩ und 5 kΩ, entsprechen.
  • Eine Bewertung des Speicherzustands der Speicherzelle 310 wird wiederum mithilfe von drei der Speicherzelle 310 zugeordneten Referenzzellen 320 durchgeführt, welche Referenzzustände mit Widerstandswerten zwischen den einzelnen Speicherzuständen der Speicherzelle 310 aufweisen. Die Referenzzustände der Referenzzellen 320 können in einem gegenüber dem hochohmigen Speicherzustand der Speicherzelle 310 niederohmigen und relativ kleinen Widerstandsbereich, d.h. kΩ-Bereich liegen, und effektiven elektrischen Widerständen von beispielsweise 2 kΩ, 4 kΩ und 8 kΩ entsprechen. Auch bei den Referenzzellen 320 handelt es sich wie in 3 dargestellt um resistive Speicherzellen mit jeweils einem Widerstandsspeicherelement 311 und einem Auswahltransistor 312, welche in die entsprechenden unterschiedlichen Referenzzustände versetzt sind.
  • Unterschiede zu der Schaltung 200 von 2 bestehen im Wesentlichen in dem Vertauschen der Potentiale 10 und 12 in den einzelnen Leitungspfaden, und in der unterschiedlichen Anordnung des Widerstandsspeicherelements 311 und des Auswahltransistors 312 in einer Speicherzelle 310 bzw. einer Referenzzelle 320. So sind als Lastelemente fungierende Dioden 30, welche vorliegend durch p-Kanal Transistoren gebildet werden, bei der Schaltung 300 mit einem hohen Potential 12, und die Speicherzelle 310 bzw. die Referenzzellen 320 mit einem Massepotential 10 verbunden. Auch ist ein Widerstandsspeicherelement 311 der Speicherzelle 310 bzw. der Referenzzellen 320 direkt an eine Bitleitung 21 angeschlossen, wohingegen ein über eine Wortleitung 20 aktivierbarer Auswahltransistor 312 mit dem Massepotential 10 verbunden ist.
  • In den Leitungspfaden der Referenzzellen 320 werden wiederum als Sourcefolger geschaltete Transistoren 50 zum Festlegen eines auf eine vorgegebene Lesespannung 15 abgestimmten Potentials an den Bitleitungen 21 bzw. an Knoten 51 und damit zum Einstellen der Lesespannung 15 an den Referenzzellen 320 eingesetzt. Die Transistoren 50 sind hierbei vom n-Kanal-Typ. Die Gates der Transistoren 50 sind wiederum an eine Steuerleitung 25 angeschlossen.
  • Da sämtliche Referenzzustände der Referenzzellen 320 in einem niederohmigen und insbesondere relativ kleinen Widerstandsbereich liegen, lässt sich die vorgegebene Lesespannung 15 mithilfe der Transistoren 50 zuverlässig an den Referenzzellen 320 einstellen. Eine Lesespannung 15 an einer Referenzzelle 320 entspricht dabei im Wesentlichen der Differenz zwischen einem gegenüber dem Massepotential 10 höheren Potential auf der entsprechenden Bitleitung 21, d.h. einem Potential an einem Knoten 51 bzw. Source/Drain-Anschluss eines Transistors 50, und dem Massepotential 10. Aufgrund der gegenüber Schaltung 200 von 2 vertauschten Potentiale 10, 12 verlaufen die eine Lesespannung 15 kennzeichnenden Pfeile in 3 in einer gegenüber 2 umgekehrten Richtung.
  • Im Leitungspfad der Speicherzelle 310 ist hingegen wiederum eine Spannungsregeleinheit 60 mit einem rückgekoppelten Operationsverstärker 61 und einem an einen Ausgang des Operationsverstärkers 61 angeschlossenen Regeltransistor 62 vorgesehen. Der Regeltransistor 62 ist vorliegend vom n-Kanal-Typ. An einen ersten Eingang des Operationsverstärkers 61 ist ein auf die vorgegebene Lesespannung 15 abgestimmtes Bezugspotential 11, und an einen zweiten Eingang des Operationsverstärkers 61 über eine Rückkopplungsleitung 63 ein an einem Knoten 64 der Bitleitung 21 anliegendes Potential angelegt. Dadurch wird das Potential an dem Knoten 64 auf das Bezugspotential 11, und damit die an der Speicherzelle 310 anliegende Spannung zuverlässig auf die vorgegebene Lesespannung 15 geregelt. Die Lesespannung 15 an der Speicherzelle 310 entspricht dabei im Wesentlichen der Differenz zwischen dem Potential an dem Knoten 64 und dem Massepotential 10. Die Regelung der Spannung an der Speicherzelle 310 auf die vorgegebene Lesespannung 15 mithilfe der Spannungsregeleinheit 60 ist für einen relativ großen Widerstandsbereich möglich, welcher sowohl den hochohmigen Speicherzustand als auch die niederohmigen Speicherzustände der Speicherzelle 310 umfasst. Auf diese Weise wird insbesondere ein Einbrechen der Lesespannung 15 bei einem niederohmigen Speicherzustand der Speicherzelle 310 kompensiert.
  • Eine Bewertung des Speicherzustands der Speicherzelle 310 wird mithilfe von drei Ausleseverstärkern 40 durchgeführt, welche jeweils einen durch einen Stromfluss vorgegebenen Spannungsabfall an Dioden 30 in den einzelnen Leitungspfaden abtasten. Hierzu werden Potentiale an Knoten 31 der Leitungspfade der Referenzzellen 320 jeweils an einen der drei Ausleseverstärker 40, und das Potential an einem Knoten 31 des Leitungspfades der Speicherzelle 310 an alle drei Ausleseverstärker 40 angelegt. Die jeweiligen Unterschiede der Potentiale an den Knoten 31 werden durch die Ausleseverstärker 40 verstärkt. Auf der Grundlage der verstärkten Potentialunterschiede kann der Speicherzustand der Speicherzelle 310 bestimmt werden.
  • 4 zeigt eine schematische Darstellung einer elektronischen Vorrichtung 400 mit einem Speicherbaustein 410 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei der elektronischen Vorrichtung 400 kann es sich beispielsweise um ein den Speicherbaustein 410 bzw. mehrere Speicherbausteine 410 aufweisendes Speichermodul handeln. Alternativ kann es sich bei der elektronischen Vorrichtung 400 auch um eine Platine bzw. Hauptplatine eines Computers handeln. Hierbei kann die elektronische Vorrichtung 400 neben dem Speicherbaustein 410 bzw. mehreren Speicherbausteinen 410 weitere Bauelemente wie beispielsweise eine in 4 angedeutete Steuereinrichtung 70 aufweisen.
  • Der Speicherbaustein 410 der Vorrichtung 400 weist einen Schaltungsaufbau entsprechend der Schaltung 200 bzw. 300 der 2 und 3 mit einer Vielzahl von resistiven Speicherzellen 411 und Referenzzellen 412 auf. Die Speicherzellen 411 und Referenzzellen 412 sind matrixförmig in Form von Zeilen und Spalten an Kreuzungspunkten einer Vielzahl von Wortleitungen 20 und Bitleitungen 21 angeordnet, und weisen jeweils ein Widerstandsspeicherelement und einen Auswahltransistor auf. Bei den Speicherzellen 411 und Referenzzellen 412 kann es sich sowohl um CBRAM- als auch um PCRAM-Speicherzellen handeln. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in 4 lediglich drei Zeilen bzw. Wortleitungen 20 und sieben Spalten bzw. Bitleitungen 21 dargestellt. Auch wurde auf die Darstellung von an den einzelnen Leitungspfaden anliegenden Potentialen 10 und 12 verzichtet.
  • Eine Speicherzelle 411 ist umschaltbar zwischen einem hochohmigen Speicherzustand und drei niederohmigen Speicherzuständen. Den an einer Wortleitung 20 angeordneten Speicherzellen 411 sind daher jeweils drei an der betreffenden Wortleitung 20 angeordnete Referenzzellen 412 zugeordnet. Die drei Referenzzellen 412 weisen jeweils unterschiedliche Widerstandswerte bzw. Referenzzustände zwischen den einzelnen Speicherzuständen einer Speicherzelle 411 auf. Die Referenzzustände können dabei in einem niederohmigen Widerstandsbereich liegen.
  • Zur Regelung einer Lesespannung der an den Bitleitungen 21 angeordneten resistiven Speicherzellen 411 sind Spannungsregeleinheiten 60 vorgesehen. Die Spannungsregeleinheiten 60 können jeweils einen Operationsverstärker und einen Regeltransistor aufweisen, und sind mit den jeweiligen Bitleitungen 21 der Leitungspfade der Speicherzellen 411 verbunden. Zum Einstellen der Lesespannung der an den Bitleitungen 21 angeordneten Referenzzellen 412 sind drei als Sourcefolger betriebene Transistoren 50 vorgesehen, welche mit den jewei ligen Bitleitungen 21 der Leitungspfade der Referenzzellen 412 und einer Steuerleitung 25 verbunden sind.
  • Sowohl die Spannungsregeleinheiten 60 als auch die Transistoren 50 sind weiter entsprechend der Schaltungen 200 bzw. 300 der 2 und 3 an als Lastelemente dienende Dioden 30 angeschlossen. Spannungsabfälle an den Dioden 30 werden von drei Ausleseverstärkern 40 über entsprechende Leitungen abgetastet. Dabei werden die Spannungsabfälle an den Dioden 30 der Leitungspfade der Referenzellen 412 von jeweils einem der Ausleseverstärker 40 erfasst. Die Spannungsabfälle an den Dioden 30 der Leitungspfade der Speicherzellen 411 können mithilfe von in den Leitungen zwischen den Dioden 30 und den Ausleseverstärkern 40 angeordneten Schaltelementen 80 selektiv von den drei Ausleseverstärker 40 abgetastet werden. Ein Schaltelement 80 kann als Schalttransistor ausgebildet sein, und wird über eine entsprechende Auswahlleitung 81 aktiviert.
  • Zum Bestimmen des Speicherzustands einer in einer bestimmten Zeile und Spalte angeordneten Speicherzelle 411 wird die betreffende Wortleitung 20 aktiviert. Auf diese Weise werden die Widerstandsspeicherelemente sämtlicher Speicherzellen 411 und Referenzzellen 412 der ausgewählten Zeile über die zugehörigen durchgeschalteten Auswahltransistoren mit den Bitleitungen 21 bzw. Massepotentialen 10 leitend verbunden, wodurch jeweils ein von dem jeweiligen Widerstandszustand der Speicherzellen 411 und Referenzzellen 412 abhängiger Strom in den einzelnen Leitungspfaden fließt.
  • Des weiteren wird ein Schaltelement 80 der der auszulesenden Speicherzelle 411 zugehörigen Spalte mithilfe der entsprechenden Auswahlleitung 81 aktiviert. Auf diese Weise wird der durch den elektrischen Strom vorgegebene Spannungsabfall an der Diode 30 der betreffenden Spalte von den drei Ausleseverstärker 40 erfasst. Auch werden die Spannungsabfälle an den Dioden 30 der Leitungspfade der Referenzzellen 412 von den Leseverstärkern 40 abgetastet. Dabei werden wie anhand der vorstehenden 2 und 3 erläutert Potentialdifferenzen zwischen den Dioden 30 der einzelnen Leitungspfade durch die Ausleseverstärker 40 verstärkt.
  • Auf der Grundlage der durch die Ausleseverstärker 40 verstärkten Potentialdifferenzen kann die Steuereinrichtung 70 eine Bewertung des Speicherzustands der ausgewählten Speicherzelle 411 vornehmen. Auch das beschriebene Aktivieren einer Wortleitung 20 und eines Schaltelements 80 mithilfe der entsprechenden Auswahlleitung 81 kann durch die Steuereinrichtung 70 durchgeführt bzw. initiiert werden.
  • 5 zeigt eine schematische Darstellung einer elektronischen Vorrichtung 420 mit einem Speicherbaustein 430 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Auch bei der Vorrichtung 420 kann es sich beispielsweise sowohl um ein Speichermodul mit einem bzw. mehreren Speicherbausteinen 430, als auch um eine Hauptplatine mit einem bzw. mehreren Speicherbausteinen 430 sowie gegebenenfalls weiteren Bauelementen wie einer Steuereinrichtung 70 handeln.
  • Der Speicherbaustein 430 weist im Wesentlichen den gleichen Aufbau und die gleiche Funktionsweise wie der in 4 dargestellte Speicherbaustein 410 auf. Im Unterschied zu dem Speicherbaustein 410 ist bei dem Speicherbaustein 430 von 5 jedoch lediglich eine Spannungsregeleinheit 60 und eine Diode 30 für sämtliche resistiven Speicherzellen 411 vorgesehen. Infolgedessen zeichnet sich der Speicherbaustein 430 durch einen besonders geringen Platzbedarf bzw. Schaltungsaufwand aus. Die Spannungsregeleinheit 60 ist hierbei über Schaltelemente 80 schaltbar mit den Bitleitungen 21 der Leitungspfade der Speicherzellen 411 verbunden. Entsprechend dem in 4 dargestellten Speicherbaustein 410 wird ein Schaltelement 80 über eine entsprechende Auswahlleitung 81 aktiviert.
  • Die anhand der 2 bis 5 erläuterten Ausführungsformen stellen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dar. Darüber hinaus lassen sich weitere Ausführungsformen verwirklichen, welche weitere Abwandlungen der Erfindung umfassen.
  • Beispielsweise können Referenzzellen als feste elektrische Widerstände ausgeführt sein, anstelle resistive Speicherzellen als Referenzzellen einzusetzen. Auch können Lastelemente, an denen ein Spannungsabfall abgetastet wird, mithilfe von anderen Schaltungselementen als Transistoren bzw. Dioden wie beispielsweise Widerstandselementen verwirklicht sein.
  • Darüber hinaus kann ein Speicherbaustein einen Aufbau aufweisen, bei dem die Schaltungsstruktur der in den 4 und 5 dargestellten Speicherbausteine 410, 430 mit an einer Wortleitung 20 angeordneten Speicherzellen 411, den Speicherzellen 411 zugeordneten drei Referenzzellen 412, der bzw. den Spannungsregeleinheit(en) 60, den drei Transistoren 50, den Dioden 30 und den drei Ausleseverstärkern 40 mehrfach in Zeilenrichtung wiederholt wird.
  • Auch kann eine Spannungsregeleinheit mit einem anderen als dem in den 2 und 3 dargestellten Aufbau ausgebildet sein. Beispielsweise ist es möglich, anstelle eines Operationsverstärkers Schaltungselemente vorzusehen, welche ein an einer Bitleitung anliegendes Potential entsprechend einem Operationsverstärker mit einem Bezugspotential zur Spannungsregelung vergleichen.
  • Des weiteren ist die Möglichkeit gegeben, resistive Speicherzellen als Multilevel-Zellen zur Speicherung von mehr als 2 Bit zu betreiben. Allgemein kann die Speicherung von n-Bit-Informationen mithilfe von 2n unterscheidbaren Speicherzuständen einer Speicherzelle bzw. einem hochohmigen und (2n –1) niederohmigen Speicherzuständen einer Speicherzelle verwirklicht werden. Eine Bewertung des Speicherzustands einer Speicherzelle wird hierbei mithilfe von (2n – 1) Referenzzel len durchgeführt, welche jeweils unterschiedliche Widerstandswerte bzw. Referenzzustände zwischen den einzelnen Speicherzuständen der Speicherzelle aufweisen. In entsprechender Weise können hierbei (2n – 1) Ausleseverstärker zum Einsatz kommen.
  • Ferner sind die beschriebenen Ausführungsformen nicht auf Speicherzellen des CBRAM- oder des PCRAM-Typs beschränkt. Ausführungsformen der Erfindung lassen sich in entsprechender Weise auf weitere resistive Speicherkonzepte anwenden, bei denen die Erzeugung unterscheidbarer Widerstandszustände einer Speicherzelle auf anderen elektrischen Phänomenen und Eigenschaften beruhen. In Betracht kommen hierbei beispielsweise Speicher auf der Basis von Übergangsmetalloxiden.

Claims (29)

  1. Integrierte Schaltung, aufweisend: – eine resistive Speicherzelle (210, 310, 411), welche umschaltbar ist zwischen einem hochohmigen Speicherzustand und wenigstens einem niederohmigen Speicherzustand; – wenigstens eine Referenzzelle (220, 320, 412), wobei die Referenzzelle (220, 320, 412) einen Widerstandswert aufweist, welcher einen Referenzzustand wiedergibt; – eine erste Einrichtung (60) zum Anlegen einer vorgegebenen Lesespannung (15) an die resistive Speicherzelle (210, 310, 411), wobei die erste Einrichtung (60) ausgebildet ist, die Lesespannung (15) für einen ersten Widerstandsbereich zu erzeugen, welcher die Speicherzustände der resistiven Speicherzelle (210, 310, 411) umfasst; und – eine zweite Einrichtung (50) zum Anlegen der vorgegebenen Lesespannung (15) an die Referenzzelle (220, 320, 412), wobei die zweite Einrichtung (50) ausgebildet ist, die Lesespannung (15) für einen gegenüber dem ersten Widerstandsbereich kleineren zweiten Widerstandsbereich zu erzeugen, welcher den Referenzzustand der Referenzzelle (220, 320, 412) umfasst.
  2. Integrierte Schaltung nach Anspruch 1, wobei die erste Einrichtung eine Spannungsregeleinheit (60) zum Regeln einer an der resistiven Speicherzelle (210, 310, 411) anliegenden Spannung auf die vorgegebene Lesespannung (15) aufweist.
  3. Integrierte Schaltung nach Anspruch 2, wobei die Spannungsregeleinheit (60) einen rückgekoppelten Operationsverstärker (61) und einen mit dem Operationsverstärker (61) verbundenen Regeltransistor (62) aufweist.
  4. Integrierte Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Einrichtung einen als Sourcefolger betriebenen Transistor (50) zum Einstellen der Lesespannung (15) an der Referenzzelle (220, 320, 412) aufweist.
  5. Integrierte Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die resistive Speicherzelle (210, 310, 411) umschaltbar ist zwischen dem hochohmigen Speicherzustand und drei niederohmigen Speicherzuständen.
  6. Integrierte Schaltung nach Anspruch 5, mit drei der resistiven Speicherzelle (210, 310, 411) zugeordneten Referenzzellen (220, 320, 412), wobei die drei Referenzzellen (220, 320, 412) drei unterschiedliche Widerstandswerte zum Wiedergeben von Referenzzuständen zwischen den einzelnen Speicherzuständen der resistiven Speicherzelle (210, 310, 411) aufweisen, und wobei der zweite Widerstandsbereich der zweiten Einrichtung (50) die drei unterschiedlichen Referenzzustände umfasst.
  7. Integrierte Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die resistive Speicherzelle (210, 310, 411) ein Widerstandsspeicherelement (211, 311) und einen Auswahltransistor (212, 312) aufweist.
  8. Integrierte Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Referenzzelle (220, 320, 412) eine resistive Speicherzelle ist, welche in einen Referenzzustand geschaltet ist.
  9. Speicherbaustein, aufweisend: – eine Vielzahl von Wortleitungen (20) und Bitleitungen (21) – eine Vielzahl von resistiven Speicherzellen (210, 310, 411), wobei eine resistive Speicherzelle (210, 310, 411) an einem Kreuzungspunkt einer Wortleitung (20) und einer Bitleitung (21) angeordnet ist und umschaltbar ist zwischen einem hochohmigen Speicherzustand und wenigstens einem niederohmigen Speicherzustand; – eine Vielzahl von Referenzzellen (220, 320, 412), wobei eine Referenzzelle (220, 320, 412) an einem Kreuzungspunkt einer Wortleitung (20) und einer Bitleitung (21) angeordnet ist und einen Widerstandswert aufweist, welcher einen Referenzzustand wiedergibt; – eine erste Einrichtung (60) zum Anlegen einer vorgegebenen Lesespannung (15) an eine resistive Speicherzelle (210, 310, 411) zum Hervorrufen eines elektrischen Stroms in einer der resistiven Speicherzelle (210, 310, 411) zugeordneten Bitleitung (21), wobei die erste Einrichtung (60) ausgebildet ist, die Lesespannung (15) für einen ersten Widerstandsbereich zu erzeugen, welcher die Speicherzustände der resistiven Speicherzelle (210, 310, 411) umfasst; – eine zweite Einrichtung (50) zum Anlegen der vorgegebenen Lesespannung (15) an eine Referenzzelle (220, 320, 412) zum Hervorrufen eines elektrischen Stroms in einer der Referenzzelle (220, 320, 412) zugeordneten Bitleitung (21), wobei die zweite Einrichtung (50) ausgebildet ist, die Lesespannung (15) für einen gegenüber dem ersten Widerstandsbereich kleineren zweiten Widerstandsbereich zu erzeugen, welcher den Referenzzustand der Referenzzelle (220, 320, 412) umfasst; und – eine Auswerteeinrichtung (30, 40), um den Speicherzustand einer resistiven Speicherzelle (210, 310, 411) zu bestimmen.
  10. Speicherbaustein nach Anspruch 9, wobei die erste Einrichtung eine Spannungsregeleinheit (60) zum Regeln einer an einer resistiven Speicherzelle (210, 310, 411) anliegenden Spannung auf die vorgegebene Lesespannung (15) aufweist.
  11. Speicherbaustein nach Anspruch 10, wobei die Spannungsregeleinheit (60) einen rückgekoppelten Operationsverstärker (61) und einen mit dem Operationsverstärker (61) verbundenen Regeltransistor (62) aufweist.
  12. Speicherbaustein nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei die Spannungsregeleinheit (60) mit einer Bitleitung (21) zur Spannungsregelung der an der Bitleitung (21) angeordneten resistiven Speicherzellen (210, 310, 411) verbunden ist.
  13. Speicherbaustein nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei die Spannungsregeleinheit (60) schaltbar mit den Bitleitungen (21) verbunden ist.
  14. Speicherbaustein nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei die zweite Einrichtung einen als Sourcefolger betriebenen Transistor (50) zum Einstellen der Lesespannung (15) an einer Referenzzelle (220, 320, 412) aufweist.
  15. Speicherbaustein nach Anspruch 14, wobei der als Sourcefolger betriebene Transistor (50) mit einer Bitleitung (21) zum Einstellen der Lesespannung (15) der an der Bitleitung (21) angeordneten Referenzzellen (220, 320, 412) verbunden ist.
  16. Speicherbaustein nach einem der Ansprüche 9 bis 15, wobei eine resistive Speicherzelle (210, 310, 411) umschaltbar ist zwischen dem hochohmigen Speicherzustand und drei niederohmigen Speicherzuständen.
  17. Speicherbaustein nach Anspruch 16, wobei einer resistiven Speicherzelle (210, 310, 411) drei Referenzzellen (220, 320, 412) zugeordnet sind, wobei die drei Referenzzellen (220, 320, 412) drei unterschiedliche Widerstandswerte zum Wiedergeben von Referenzzuständen zwi schen den einzelnen Speicherzuständen der resistiven Speicherzelle (210, 310, 411) aufweisen, und wobei der zweite Widerstandsbereich der zweiten Einrichtung (50) die drei unterschiedlichen Referenzzustände umfasst.
  18. Speicherbaustein nach Anspruch 17, wobei an einer Wortleitung (20) angeordneten resistiven Speicherzellen (210, 310, 411) drei Referenzzellen (220, 320, 412) zugeordnet sind.
  19. Speicherbaustein nach einem der Ansprüche 9 bis 18, wobei die Auswerteeinrichtung den resistiven Speicherzellen (210, 310, 411) und den Referenzzellen (220, 320, 412) zugeordnete Lastelemente (30) und einen Ausleseverstärker (40) aufweist, wobei der elektrische Strom in einer einer resistiven Speicherzelle (210, 310, 411) und in einer einer Referenzzelle (220, 320, 412) zugeordneten Bitleitung (21) einen Spannungsabfall an einem der resistiven Speicherzelle (210, 310, 411) und an einem der Referenzzelle (220, 320, 412) zugeordneten Lastelement (30) verursacht, welcher jeweils durch den Ausleseverstärker (40) abgetastet wird.
  20. Speicherbaustein nach Anspruch 19, wobei ein Lastelement eine Diode (30) ist.
  21. Speicherbaustein nach einem der Ansprüche 9 bis 20, wobei eine resistive Speicherzelle (210, 310, 411) ein Widerstandsspeicherelement (211, 311) und einen Auswahltransistor (212, 312) aufweist.
  22. Speicherbaustein nach einem der Ansprüche 9 bis 21, wobei eine Referenzzelle (220, 320, 412) eine resistive Speicherzelle ist, welche in einen Referenzzustand geschaltet ist.
  23. Elektronische Vorrichtung mit einem Speicherbaustein nach einem der Ansprüche 9 bis 22.
  24. Verfahren zum Bestimmen eines Speicherzustands einer resistiven Speicherzelle (210, 310, 411), wobei die resistive Speicherzelle (210, 310, 411) umschaltbar ist zwischen einem hochohmigen Speicherzustand und wenigstens einem niederohmigen Speicherzustand, umfassend die Verfahrensschritte: – Anlegen einer vorgegebenen Lesespannung (15) an die resistive Speicherzelle (210, 310, 411), wobei die Lesespannung (15) für einen ersten Widerstandsbereich erzeugt wird, welcher die Speicherzustände der resistiven Speicherzelle (210, 310, 411) umfasst; – Erfassen einer elektrischen Messgröße in Abhängigkeit eines durch die Lesespannung (15) an der resistiven Speicherzelle (210, 310, 411) hervorgerufenen elektrischen Stroms; – Anlegen der vorgegebenen Lesespannung (15) an eine Referenzzelle (220, 320, 412), wobei die Referenzzelle (220, 320, 412) einen Widerstandswert aufweist, welcher einen Referenzzustand wiedergibt, und wobei die Lesespannung (15) für einen gegenüber dem ersten Widerstandsbereich kleineren zweiten Widerstandsbereich erzeugt wird, welcher den Referenzzustand der Referenzzelle (220, 320, 412) umfasst; – Erfassen einer elektrischen Referenzgröße in Abhängigkeit eines durch die Lesespannung (15) an der Referenzzelle (220, 320, 412) hervorgerufenen elektrischen Stroms; und – Bestimmen des Speicherzustands der resistiven Speicherzelle (210, 310, 411) anhand eines Vergleichs der Messgröße mit der Referenzgröße.
  25. Verfahren nach Anspruch 24, wobei als Messgröße und als Referenzgröße jeweils ein Spannungsabfall an einem der resistiven Speicherzelle (210, 310, 411) und an einem der Referenzzelle (220, 320, 412) zugeordneten Lastelement (30) herangezogen wird.
  26. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 oder 25, wobei eine an der resistiven Speicherzelle (210, 310, 411) anliegende Spannung auf die vorgegebene Lesespannung (15) geregelt wird.
  27. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 26, wobei die resistive Speicherzelle (210, 310, 411) umschaltbar ist zwischen dem hochohmigen Speicherzustand und drei niederohmigen Speicherzuständen.
  28. Verfahren nach Anspruch 27, wobei der resistiven Speicherzelle (210, 310, 411) drei Referenzzellen (220, 320, 412) zugeordnet sind, an welche die vorgegebene Lesespannung (15) angelegt wird, wobei die drei Referenzzellen (220, 320, 412) drei unterschiedliche Widerstandswerte zum Wiedergeben von Referenzzuständen zwischen den einzelnen Speicherzuständen der resistiven Speicherzelle (210, 310, 411) aufweisen, und wobei der zweite Widerstandsbereich die drei unterschiedlichen Referenzzustände umfasst.
  29. Verfahren nach Anspruch 28, wobei drei elektrische Referenzgrößen jeweils in Abhängigkeit eines durch die Lesespannung (15) an den drei Referenzzellen (220, 320, 412) hervorgerufenen elektrischen Stroms erfasst werden, und wobei der Speicherzustand der resistiven Speicherzelle (210, 310, 411) anhand eines Vergleichs der Messgröße mit den drei Referenzgrößen bestimmt wird.
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