專利名稱：模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置及模數(shù)轉(zhuǎn)換方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體集成電路及其制造技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置及模數(shù)轉(zhuǎn)換方法。
背景技術(shù)：
將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的電路稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog toDigital Converter),即A/D轉(zhuǎn)換器。模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換具有非常重要的意義。 首先，數(shù)字信號(hào)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好、設(shè)計(jì)及測(cè)試自動(dòng)化程度高、易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成等優(yōu)點(diǎn)，用數(shù)字信號(hào)來(lái)處理模擬信號(hào)在信號(hào)傳輸、處理、存儲(chǔ)、輸出與顯示保密性等方面都具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。其次，隨著集成電路工藝的進(jìn)步和數(shù)字集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字集成電路的性能不斷提高，規(guī)模越來(lái)越大，成本不斷降低，所以采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)來(lái)處理模擬信號(hào)已變得十分普遍。
A/D轉(zhuǎn)換器一般需要采樣、保持、量化和編碼四個(gè)步驟完成。通常將前兩步由采樣-保持電路完成，后兩步在轉(zhuǎn)換過(guò)程中同時(shí)實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)的采樣-保持電路中包含有采樣開關(guān)和保持電容，但通過(guò)保持電容存儲(chǔ)采樣信號(hào)會(huì)有保持電壓下降的缺點(diǎn)。因?yàn)殡娙菘偸谴嬖诜烹娡?，因而在保持期，使輸出電壓下降，從而出現(xiàn)信號(hào)失真，雖然增大電容容量可以降低電壓下降，但會(huì)使采樣時(shí)間加長(zhǎng)。另外，在集成電路設(shè)計(jì)中，電容的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)面臨一些本征的困難對(duì)于一般的小電容采用的是將MOS管的源漏相連來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣一個(gè)電容的體積就是一個(gè)開關(guān)的體積。目前雖然有很多降低電容體積的設(shè)計(jì)，但是這些方法通常還是消耗集成電路中相當(dāng)?shù)捏w積。出于對(duì)高性能、高速度、高集成的需求，需要開發(fā)新型的A/D 轉(zhuǎn)換器，使其采樣保持電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高速、低操作電壓和電流、工藝兼容、低成本等優(yōu)發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問(wèn)題
本發(fā)明首先要解決的技術(shù)問(wèn)題是如何提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低成本且工作可靠的模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置。
(二)技術(shù)方案
為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置，包括
數(shù)據(jù)采樣保持單元，用于進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，得到模擬電壓信號(hào)，并對(duì)模擬電壓信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)；
量化單元，用于數(shù)據(jù)采樣保持單元輸出的模擬電壓信號(hào)進(jìn)行量化；
編碼單元，用于對(duì)量化單元輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，得到數(shù)字信號(hào)；其中，
所述數(shù)據(jù)保持單元包括阻變存儲(chǔ)器。
優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)采樣保持單元還包括與所述阻變存儲(chǔ)器連接的MOS器件。
優(yōu)選地，所述阻變存儲(chǔ)器包括第一導(dǎo)電層、金屬氧化物層以及第二導(dǎo)電層，所述金屬氧化物層位于所述第一導(dǎo)電層與第二導(dǎo)電層之間，且第一導(dǎo)電層、金屬氧化物層以及第二導(dǎo)電層依次覆于所述MOS器件的漏端。
優(yōu)選地，所述第一導(dǎo)電層或第二導(dǎo)電層為金屬。
優(yōu)選地，所述金屬氧化物層為HfOx、Ti0x、W0x、Ni0x、ZrOx和TaxOx中的一種，x為正整數(shù)。
優(yōu)選地，所述第一導(dǎo)電層的厚度為5 100nm。
優(yōu)選地，所述金屬氧化物層的厚度為3 30nm。
優(yōu)選地，所述量化單元為電流比較器。
本發(fā)明還提供了一種模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，包括以下步驟
SI、在采樣頻率的控制下打開權(quán)利要求2 8中任一項(xiàng)所述的裝置中的MOS器件，進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，得到模擬電壓信號(hào)；
S2、利用權(quán)利要求廣8中任一項(xiàng)所述的裝置中的阻變存儲(chǔ)器進(jìn)行模擬電壓信號(hào)存
S3、利用權(quán)利要求廣8中任一項(xiàng)所述的裝置中的量化單元將流過(guò)所述阻變存儲(chǔ)器的電流與參考電流進(jìn)行比較，根據(jù)比較的結(jié)果進(jìn)行模擬電壓信號(hào)的量化；
S4、對(duì)量化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，得到數(shù)字信號(hào)。
優(yōu)選地，在步驟SI之前還包括選擇工作模式的步驟。
優(yōu)選地，所述工作模式包括SET模式和RESET模式。
(三)有益效果
上述技術(shù)方案具有如下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明利用阻變存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換過(guò)程中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)(或稱為保持)，實(shí)驗(yàn)表明，數(shù)據(jù)保持時(shí)間可以長(zhǎng)達(dá)10年，因此能夠保證數(shù)據(jù)的可靠性， 從而也保證了模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置的工作可靠性。另外，本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低。


圖I為RRAM器件處于高阻時(shí)，電阻隨外加正向脈沖高度的變化結(jié)果；
圖2為RRAM器件處于低阻時(shí)，電阻隨外加負(fù)向脈沖高度的變化結(jié)果；
圖3示出了本發(fā)明裝置的數(shù)據(jù)采樣保持單元；
圖4為本發(fā)明的方法流程圖5a 圖5c示出了模數(shù)轉(zhuǎn)換過(guò)程中信號(hào)的變化。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。
利用電阻變化、被稱為“阻變存儲(chǔ)器(RRAM)”的新型非揮發(fā)性存儲(chǔ)器具有高速度 (〈Ins)、低操作電壓(〈IV)、高存儲(chǔ)密度、和CMOS工藝兼容等優(yōu)點(diǎn)，成為了下一代半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的強(qiáng)有力競(jìng)爭(zhēng)者。阻變存儲(chǔ)器的工作方式包括單極和雙極兩種，前者在器件兩端施加單一極性的電壓，利用外加電壓大小不同控制阻變材料的電阻值在高低電阻態(tài)之間轉(zhuǎn)換， 以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的寫入和擦除；而后者是利用施加不同極性的電壓控制阻變材料電阻值的轉(zhuǎn)換。習(xí)慣上稱阻變材料由高阻態(tài)到低阻態(tài)的轉(zhuǎn)變?yōu)镻rogram或者SET，由低阻態(tài)到高阻態(tài)的轉(zhuǎn)變?yōu)镋RAZE或者RESET。
由于RRAM在優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)和工作模式下，其阻值可以在電壓控制下近似連續(xù)變化，因此可以認(rèn)為其具有作為存儲(chǔ)模擬信號(hào)的潛力。特殊的操作可以使RRAM實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)算和邏輯功能。
金屬氧化物的阻變現(xiàn)象，是由其內(nèi)部存在的細(xì)絲導(dǎo)電通道的連通和斷開導(dǎo)致的。 導(dǎo)電通道是由氧空位缺陷排列而成。在外界電壓的作用下，氧化物內(nèi)部產(chǎn)生新的氧空位缺陷或者使氧空位缺陷的數(shù)目減少，從而導(dǎo)致了器件從高阻態(tài)到低阻態(tài)或者從低阻態(tài)到高阻態(tài)的轉(zhuǎn)變。當(dāng)外加電壓很小時(shí)，產(chǎn)生的氧空位缺陷數(shù)量較少，形成的通道數(shù)量也相對(duì)較少， 相應(yīng)地表現(xiàn)出電阻較大；當(dāng)外加電壓較大時(shí)，生成的氧空位缺陷數(shù)量較多，相應(yīng)的電阻較小。如果在該電阻加相同的電壓，因?yàn)殡娮璨煌鬟^(guò)的電流也不同。可以根據(jù)電流大小進(jìn)行量化。當(dāng)外加電壓較小較快時(shí)，生成氧空位缺陷較少，因此通道的生成數(shù)量也相對(duì)較少， 這些通道有助于電子的傳導(dǎo)，因此電阻會(huì)逐漸增加。隨著施加電壓和電流的幅度的增加，生成的缺陷較多，因此生成的通道數(shù)量越來(lái)越多，電阻按一定規(guī)律穩(wěn)步連續(xù)減小，這就是阻變存儲(chǔ)器可以作為模擬信號(hào)存儲(chǔ)的原因。本發(fā)明提出的是利用RRAM的憶阻器功能實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)向數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)化，完成數(shù)模轉(zhuǎn)換電路中信號(hào)的采樣和保持功能。
本發(fā)明提供了一種利用RRAM代替?zhèn)鹘y(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換器中數(shù)據(jù)保持單元實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換 的新裝置、新方法。阻變器件傳統(tǒng)的操作方法是當(dāng)器件處于高阻態(tài)時(shí)，在其兩端施加合適的正向脈沖電壓，其阻值會(huì)發(fā)生從高阻態(tài)到低阻態(tài)的轉(zhuǎn)變；當(dāng)器件處于低阻態(tài)時(shí)，在其兩端施加合適的負(fù)向脈沖電壓，其阻值會(huì)發(fā)生從低阻態(tài)到高阻態(tài)的轉(zhuǎn)變。如圖I 所示。電阻在一定區(qū)間是隨電壓近似連續(xù)變化的。阻變器件的這一特性結(jié)合一定的操作方法以及數(shù)據(jù)處理電路可以實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換器的功能，如圖2所示。
參考圖3所示，本發(fā)明提供一種模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置，包括
數(shù)據(jù)采樣保持單元，用于進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，得到模擬電壓信號(hào)，并對(duì)模擬電壓信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)；包括MOS器件和阻變存儲(chǔ)器；
量化單元，用于數(shù)據(jù)采樣保持單元輸出的模擬電壓信號(hào)進(jìn)行量化；
編碼單元，用于對(duì)量化單元輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，得到數(shù)字信號(hào)；其中，
所述阻變存儲(chǔ)器包括第一導(dǎo)電層、金屬氧化物層以及第二導(dǎo)電層，所述金屬氧化物層位于所述第一導(dǎo)電層與第二導(dǎo)電層之間，且第一導(dǎo)電層、金屬氧化物層以及第二導(dǎo)電層依次覆于所述MOS器件的漏端。所述第一導(dǎo)電層或第二導(dǎo)電層為金屬。所述金屬氧化物層為 HfOx, TiOx, WOx, NiOx, ZrOx 和 TaxOx 中的一種，x 為正整數(shù)，例如 Hf02、Ti02、W03、NiO、 ZrO2、Ta2O5。所述第一導(dǎo)電層的厚度為5 lOOnm。所述金屬氧化物層的厚度為3 30nm。所述量化單元為電流比較器。
本發(fā)明的裝置制備過(guò)程如下在MOS器件的漏端淀積一層金屬或者其他導(dǎo)電材料，如TiN，厚度為5-100nm ;再PVD或者原子層淀積(ALD) —層金屬氧化物，如氧化鉿 (Hf02),厚度為3-30nm ;再PVD —層金屬或者其他導(dǎo)電材料，如(Pt)。
如圖4、圖5所示，本發(fā)明還提供了一種模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，包括以下步驟
SI、在采樣頻率(由圖3中的時(shí)鐘信號(hào)CLK輸出)的控制下打開所述的裝置中的MOS 器件對(duì)圖5a中的輸入信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣(采樣脈沖信號(hào)如圖5b所示)，得到模擬電壓信號(hào)；
S2、利用所述的裝置中的阻變存儲(chǔ)器進(jìn)行模擬電壓信號(hào)存儲(chǔ)，RRAM阻值變化如圖5c所示；
S3、利用所述的裝置中的量化單元將流過(guò)所述阻變存儲(chǔ)器的電流與參考電流進(jìn)行比較，從而實(shí)現(xiàn)模擬電壓信號(hào)的量化；
S4、對(duì)量化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，得到數(shù)字信號(hào)。
在步驟SI之前還包括根據(jù)輸入脈沖信號(hào)的正負(fù)選擇工作模式的步驟。
所述工作模式包括SET模式(先將器件轉(zhuǎn)變?yōu)楦咦钁B(tài)(清零);將完成對(duì)時(shí)間采樣的輸入信號(hào)加在阻變存儲(chǔ)單元的上電極，根據(jù)脈沖高度與RRAM阻值變化的線性關(guān)系，不同脈沖高度將會(huì)使阻變器件Program到不同的低電阻阻態(tài))和RESET模式(先將器件轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥钁B(tài)(清零)；將完成對(duì)時(shí)間采樣的輸入信號(hào)加到阻變存儲(chǔ)單元的上電極，不同的負(fù)脈沖高度將使阻變器件RESET到不同的高阻態(tài))。
由以上實(shí)施例可以看出，本發(fā)明利用阻變存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換過(guò)程中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ) (或稱為保持)，實(shí)驗(yàn)表明，數(shù)據(jù)保持時(shí)間可以長(zhǎng)達(dá)10年，因此能夠保證數(shù)據(jù)的可靠性，從而也保證了模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置的工作可靠性。另外，本發(fā)明的裝置中RRAM結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于集成，與傳統(tǒng)硅基CMOS工藝兼容，非常適合大規(guī)模生產(chǎn)，同時(shí)具有高速度(ns量級(jí))，低操作電壓(幾伏)等優(yōu)點(diǎn)，符合未來(lái)高性能器件的要求，因此本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)也變得簡(jiǎn)單，成本低。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和替換，這些改進(jìn)和替換也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，包括 數(shù)據(jù)采樣保持單元，用于進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，得到模擬電壓信號(hào)，并對(duì)模擬電壓信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)； 量化單元，用于數(shù)據(jù)采樣保持單元輸出的模擬電壓信號(hào)進(jìn)行量化； 編碼單元，用于對(duì)量化單元輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，得到數(shù)字信號(hào)；其中， 所述數(shù)據(jù)采樣保持單元包括阻變存儲(chǔ)器。
2.如權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采樣保持單元還包括與所述阻變存儲(chǔ)器連接的MOS器件。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述阻變存儲(chǔ)器包括第一導(dǎo)電層、金屬氧化物層以及第二導(dǎo)電層，所述金屬氧化物層位于所述第一導(dǎo)電層與第二導(dǎo)電層之間，且第一導(dǎo)電層、金屬氧化物層以及第二導(dǎo)電層依次覆于所述MOS器件的漏端。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，所述第一導(dǎo)電層或第二導(dǎo)電層為金屬。
5.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，所述金屬氧化物層為HfOx、TiOx,W0X、NiOx,ZrOx和TaxOx中的一種，x為正整數(shù)。
6.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，所述第一導(dǎo)電層的厚度為5 100nm。
7.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，所述金屬氧化物層的厚度為3 30nm。
8.如權(quán)利要求2 7中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述量化單元為電流比較器。
9.一種模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，其特征在于，包括以下步驟 51、在采樣頻率的控制下打開權(quán)利要求21中任一項(xiàng)所述的裝置中的MOS器件，進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，得到模擬電壓信號(hào)； 52、利用權(quán)利要求Γ8中任一項(xiàng)所述的裝置中的阻變存儲(chǔ)器進(jìn)行模擬電壓信號(hào)存儲(chǔ)； 53、利用權(quán)利要求廣8中任一項(xiàng)所述的裝置中的量化單元將流過(guò)所述阻變存儲(chǔ)器的電流與參考電流進(jìn)行比較，根據(jù)比較的結(jié)果進(jìn)行模擬電壓信號(hào)的量化； 54、對(duì)量化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，得到數(shù)字信號(hào)。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，在步驟SI之前還包括選擇工作模式的步驟。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述工作模式包括SET模式和RESET模式。
全文摘要
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體集成電路及其制造技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置及模數(shù)轉(zhuǎn)換方法。該模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置包括數(shù)據(jù)采樣保持單元，用于進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，得到模擬電壓信號(hào)，并對(duì)模擬電壓信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)；量化單元，用于數(shù)據(jù)采樣保持單元輸出的模擬電壓信號(hào)進(jìn)行量化；編碼單元，用于對(duì)量化單元輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，得到數(shù)字信號(hào)；所述數(shù)據(jù)采樣保持單元包括阻變存儲(chǔ)器。本發(fā)明利用阻變存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換過(guò)程中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)(或稱為保持)，實(shí)驗(yàn)表明，數(shù)據(jù)保持時(shí)間可以長(zhǎng)達(dá)10年，因此能夠保證數(shù)據(jù)的可靠性，從而也保證了模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置的工作可靠性。另外，本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低。
文檔編號(hào)H03M1/12GK102931993SQ20121046072
公開日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2012年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月15日
發(fā)明者康晉鋒, 劉睿, 陳冰, 張飛飛, 劉力鋒, 劉曉彥 申請(qǐng)人:北京大學(xué)