模數轉換裝置及模數轉換方法

2023-06-07 18:15:46

專利名稱：模數轉換裝置及模數轉換方法
技術領域：
本發明涉及半導體集成電路及其製造技術領域，特別是涉及一種模數轉換裝置及模數轉換方法。
背景技術：
將模擬信號轉換為數位訊號的電路稱為模數轉換器(Analog toDigital Converter),即A/D轉換器。模擬信號與數位訊號之間的相互轉換具有非常重要的意義。 首先，數位訊號具有結構簡單、抗幹擾能力強、穩定性好、設計及測試自動化程度高、易於實現大規模集成等優點，用數位訊號來處理模擬信號在信號傳輸、處理、存儲、輸出與顯示保密性等方面都具有非常明顯的優勢。其次，隨著集成電路工藝的進步和數字集成電路技術的迅速發展，數字集成電路的性能不斷提高，規模越來越大，成本不斷降低，所以採用數位訊號處理技術來處理模擬信號已變得十分普遍。
A/D轉換器一般需要採樣、保持、量化和編碼四個步驟完成。通常將前兩步由採樣-保持電路完成，後兩步在轉換過程中同時實現。傳統的採樣-保持電路中包含有採樣開關和保持電容，但通過保持電容存儲採樣信號會有保持電壓下降的缺點。因為電容總是存在放電通路，因而在保持期，使輸出電壓下降，從而出現信號失真，雖然增大電容容量可以降低電壓下降，但會使採樣時間加長。另外，在集成電路設計中，電容的設計與實現面臨一些本徵的困難對於一般的小電容採用的是將MOS管的源漏相連來實現，這樣一個電容的體積就是一個開關的體積。目前雖然有很多降低電容體積的設計，但是這些方法通常還是消耗集成電路中相當的體積。出於對高性能、高速度、高集成的需求，需要開發新型的A/D 轉換器，使其採樣保持電路具有結構簡單、高速、低操作電壓和電流、工藝兼容、低成本等優發明內容
(一)要解決的技術問題
本發明首先要解決的技術問題是如何提供一種結構簡單、低成本且工作可靠的模數轉換裝置。
(二)技術方案
為了解決上述技術問題，本發明提供一種模數轉換裝置，包括
數據採樣保持單元，用於進行數據採樣，得到模擬電壓信號，並對模擬電壓信號進行存儲；
量化單元，用於數據採樣保持單元輸出的模擬電壓信號進行量化；
編碼單元，用於對量化單元輸出的數據進行編碼，得到數位訊號；其中，
所述數據保持單元包括阻變存儲器。
優選地，所述數據採樣保持單元還包括與所述阻變存儲器連接的MOS器件。
優選地，所述阻變存儲器包括第一導電層、金屬氧化物層以及第二導電層，所述金屬氧化物層位於所述第一導電層與第二導電層之間，且第一導電層、金屬氧化物層以及第二導電層依次覆於所述MOS器件的漏端。
優選地，所述第一導電層或第二導電層為金屬。
優選地，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。
優選地，所述第一導電層的厚度為5 100nm。
優選地，所述金屬氧化物層的厚度為3 30nm。
優選地，所述量化單元為電流比較器。
本發明還提供了一種模數轉換方法，包括以下步驟
SI、在採樣頻率的控制下打開權利要求2 8中任一項所述的裝置中的MOS器件，進行數據採樣，得到模擬電壓信號；
S2、利用權利要求廣8中任一項所述的裝置中的阻變存儲器進行模擬電壓信號存
S3、利用權利要求廣8中任一項所述的裝置中的量化單元將流過所述阻變存儲器的電流與參考電流進行比較，根據比較的結果進行模擬電壓信號的量化；
S4、對量化後的數據進行編碼，得到數位訊號。
優選地，在步驟SI之前還包括選擇工作模式的步驟。
優選地，所述工作模式包括SET模式和RESET模式。
(三)有益效果
上述技術方案具有如下優點本發明利用阻變存儲器實現模數轉換過程中的數據存儲(或稱為保持)，實驗表明，數據保持時間可以長達10年，因此能夠保證數據的可靠性， 從而也保證了模數轉換裝置的工作可靠性。另外，本發明的裝置結構簡單、成本低。


圖I為RRAM器件處於高阻時，電阻隨外加正向脈衝高度的變化結果；
圖2為RRAM器件處於低阻時，電阻隨外加負向脈衝高度的變化結果；
圖3示出了本發明裝置的數據採樣保持單元；
圖4為本發明的方法流程圖5a 圖5c示出了模數轉換過程中信號的變化。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式
作進一步詳細描述。以下實施例用於說明本發明，但不用來限制本發明的範圍。
利用電阻變化、被稱為「阻變存儲器(RRAM)」的新型非揮發性存儲器具有高速度 (〈Ins)、低操作電壓(〈IV)、高存儲密度、和CMOS工藝兼容等優點，成為了下一代半導體存儲器的強有力競爭者。阻變存儲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之間轉換， 以實現數據的寫入和擦除；而後者是利用施加不同極性的電壓控制阻變材料電阻值的轉換。習慣上稱阻變材料由高阻態到低阻態的轉變為Program或者SET，由低阻態到高阻態的轉變為ERAZE或者RESET。
由於RRAM在優化器件結構和工作模式下，其阻值可以在電壓控制下近似連續變化，因此可以認為其具有作為存儲模擬信號的潛力。特殊的操作可以使RRAM實現各種運算和邏輯功能。
金屬氧化物的阻變現象，是由其內部存在的細絲導電通道的連通和斷開導致的。 導電通道是由氧空位缺陷排列而成。在外界電壓的作用下，氧化物內部產生新的氧空位缺陷或者使氧空位缺陷的數目減少，從而導致了器件從高阻態到低阻態或者從低阻態到高阻態的轉變。當外加電壓很小時，產生的氧空位缺陷數量較少，形成的通道數量也相對較少， 相應地表現出電阻較大；當外加電壓較大時，生成的氧空位缺陷數量較多，相應的電阻較小。如果在該電阻加相同的電壓，因為電阻不同，流過的電流也不同。可以根據電流大小進行量化。當外加電壓較小較快時，生成氧空位缺陷較少，因此通道的生成數量也相對較少， 這些通道有助於電子的傳導，因此電阻會逐漸增加。隨著施加電壓和電流的幅度的增加，生成的缺陷較多，因此生成的通道數量越來越多，電阻按一定規律穩步連續減小，這就是阻變存儲器可以作為模擬信號存儲的原因。本發明提出的是利用RRAM的憶阻器功能實現模擬信號向數位訊號的轉化，完成數模轉換電路中信號的採樣和保持功能。
本發明提供了一種利用RRAM代替傳統A/D轉換器中數據保持單元實現模擬信號與數位訊號轉換 的新裝置、新方法。阻變器件傳統的操作方法是當器件處於高阻態時，在其兩端施加合適的正向脈衝電壓，其阻值會發生從高阻態到低阻態的轉變；當器件處於低阻態時，在其兩端施加合適的負向脈衝電壓，其阻值會發生從低阻態到高阻態的轉變。如圖I 所示。電阻在一定區間是隨電壓近似連續變化的。阻變器件的這一特性結合一定的操作方法以及數據處理電路可以實現數模轉換器的功能，如圖2所示。
參考圖3所示，本發明提供一種模數轉換裝置，包括
數據採樣保持單元，用於進行數據採樣，得到模擬電壓信號，並對模擬電壓信號進行存儲；包括MOS器件和阻變存儲器；
量化單元，用於數據採樣保持單元輸出的模擬電壓信號進行量化；
編碼單元，用於對量化單元輸出的數據進行編碼，得到數位訊號；其中，
所述阻變存儲器包括第一導電層、金屬氧化物層以及第二導電層，所述金屬氧化物層位於所述第一導電層與第二導電層之間，且第一導電層、金屬氧化物層以及第二導電層依次覆於所述MOS器件的漏端。所述第一導電層或第二導電層為金屬。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，例如 Hf02、Ti02、W03、NiO、 ZrO2、Ta2O5。所述第一導電層的厚度為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。
本發明的裝置製備過程如下在MOS器件的漏端澱積一層金屬或者其他導電材料，如TiN，厚度為5-100nm ;再PVD或者原子層澱積(ALD) —層金屬氧化物，如氧化鉿 (Hf02),厚度為3-30nm ;再PVD —層金屬或者其他導電材料，如(Pt)。
如圖4、圖5所示，本發明還提供了一種模數轉換方法，包括以下步驟
SI、在採樣頻率(由圖3中的時鐘信號CLK輸出)的控制下打開所述的裝置中的MOS 器件對圖5a中的輸入信號進行數據採樣(採樣脈衝信號如圖5b所示)，得到模擬電壓信號；
S2、利用所述的裝置中的阻變存儲器進行模擬電壓信號存儲，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所述阻變存儲器的電流與參考電流進行比較，從而實現模擬電壓信號的量化；
S4、對量化後的數據進行編碼，得到數位訊號。
在步驟SI之前還包括根據輸入脈衝信號的正負選擇工作模式的步驟。
所述工作模式包括SET模式(先將器件轉變為高阻態(清零);將完成對時間採樣的輸入信號加在阻變存儲單元的上電極，根據脈衝高度與RRAM阻值變化的線性關係，不同脈衝高度將會使阻變器件Program到不同的低電阻阻態)和RESET模式(先將器件轉變為低阻態(清零)；將完成對時間採樣的輸入信號加到阻變存儲單元的上電極，不同的負脈衝高度將使阻變器件RESET到不同的高阻態)。
由以上實施例可以看出，本發明利用阻變存儲器實現模數轉換過程中的數據存儲 (或稱為保持)，實驗表明，數據保持時間可以長達10年，因此能夠保證數據的可靠性，從而也保證了模數轉換裝置的工作可靠性。另外，本發明的裝置中RRAM結構簡單，便於集成，與傳統矽基CMOS工藝兼容，非常適合大規模生產，同時具有高速度(ns量級)，低操作電壓(幾伏)等優點，符合未來高性能器件的要求，因此本發明的裝置結構也變得簡單，成本低。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和替換，這些改進和替換也應視為本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種模數轉換裝置，其特徵在於，包括 數據採樣保持單元，用於進行數據採樣，得到模擬電壓信號，並對模擬電壓信號進行存儲； 量化單元，用於數據採樣保持單元輸出的模擬電壓信號進行量化； 編碼單元，用於對量化單元輸出的數據進行編碼，得到數位訊號；其中， 所述數據採樣保持單元包括阻變存儲器。
2.如權利要求I所述的裝置，其特徵在於，所述數據採樣保持單元還包括與所述阻變存儲器連接的MOS器件。
3.如權利要求2所述的裝置，其特徵在於，所述阻變存儲器包括第一導電層、金屬氧化物層以及第二導電層，所述金屬氧化物層位於所述第一導電層與第二導電層之間，且第一導電層、金屬氧化物層以及第二導電層依次覆於所述MOS器件的漏端。
4.如權利要求3所述的裝置，其特徵在於，所述第一導電層或第二導電層為金屬。
5.如權利要求3所述的裝置，其特徵在於，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。
6.如權利要求3所述的裝置，其特徵在於，所述第一導電層的厚度為5 100nm。
7.如權利要求3所述的裝置，其特徵在於，所述金屬氧化物層的厚度為3 30nm。
8.如權利要求2 7中任一項所述的裝置，其特徵在於，所述量化單元為電流比較器。
9.一種模數轉換方法，其特徵在於，包括以下步驟 51、在採樣頻率的控制下打開權利要求21中任一項所述的裝置中的MOS器件，進行數據採樣，得到模擬電壓信號； 52、利用權利要求Γ8中任一項所述的裝置中的阻變存儲器進行模擬電壓信號存儲； 53、利用權利要求廣8中任一項所述的裝置中的量化單元將流過所述阻變存儲器的電流與參考電流進行比較，根據比較的結果進行模擬電壓信號的量化； 54、對量化後的數據進行編碼，得到數位訊號。
10.如權利要求9所述的方法，其特徵在於，在步驟SI之前還包括選擇工作模式的步驟。
11.如權利要求10所述的方法，其特徵在於，所述工作模式包括SET模式和RESET模式。
全文摘要
本發明涉及半導體集成電路及其製造技術領域，公開了一種模數轉換裝置及模數轉換方法。該模數轉換裝置包括數據採樣保持單元，用於進行數據採樣，得到模擬電壓信號，並對模擬電壓信號進行存儲；量化單元，用於數據採樣保持單元輸出的模擬電壓信號進行量化；編碼單元，用於對量化單元輸出的數據進行編碼，得到數位訊號；所述數據採樣保持單元包括阻變存儲器。本發明利用阻變存儲器實現模數轉換過程中的數據存儲(或稱為保持)，實驗表明，數據保持時間可以長達10年，因此能夠保證數據的可靠性，從而也保證了模數轉換裝置的工作可靠性。另外，本發明的裝置結構簡單、成本低。
文檔編號H03M1/12GK102931993SQ20121046072
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月15日 優先權日2012年11月15日
發明者康晉鋒, 劉睿, 陳冰, 張飛飛, 劉力鋒, 劉曉彥 申請人:北京大學