專利名稱：一種相變存儲器的置位電路及其置位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及相變存儲器，特別涉及一種相變存儲器的置位電路及其置位方法。
背景技術(shù)：
相變存儲器是利用相變材料能夠在非晶體和晶體之間兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，來存儲數(shù)據(jù)。這種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換主要由相變材料的熔化溫度以及結(jié)晶溫度來決定，可以通過施加不同的熱量來實現(xiàn)多晶體和非晶體兩種狀態(tài)。一般情況，將材料從非晶體到多晶體的轉(zhuǎn)化過程稱作置位(SET)，從多晶體到非晶體的轉(zhuǎn)化過程稱作重置(RESET)。對于重置操作，只需要將溫度提升到熔化溫度以上然后迅速的冷卻便能夠達(dá)到非晶體的狀態(tài)，相對來說比較簡單。然而對于置位操作，則需要將溫度提升到結(jié)晶溫度以上，熔化溫度以下，然后緩慢的冷卻結(jié)晶。由于置位操作需要溫度能夠緩慢的下降以便于相變材料能夠達(dá)到結(jié)晶的狀態(tài)達(dá)到低電阻的電學(xué)特性，因此對于溫度的下降時間有一定的要求。為了實現(xiàn)置位操作，傳統(tǒng)的方法是利用電流鏡產(chǎn)生中等的脈沖電流，然后通過寄生電容以及相變電阻組成RC網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)這種功能。如圖I所示，該電路是對GST相變電阻16執(zhí)行SET和RESET兩種寫入操作的電路， 包括一個基準(zhǔn)電流源10、PMOS管電流鏡對11，12和NMOS管電流鏡對13，14、傳輸門15、 GST相變電阻16、選通管17和開關(guān)電路18，19。選通管17通常由MOS管實現(xiàn)，選通管17的漏極連接到相變電阻16，源極接地。當(dāng)給定選通管17—定的電壓使得選通管打開，就可以通過控制開關(guān)電路18，19分別打開電流鏡電路11，12，13，14進(jìn)而產(chǎn)生不同的電流強度，進(jìn)而電流可以加載到相變電阻，實現(xiàn)SET和 RESET兩種操作。在實現(xiàn)SET操作過程中，當(dāng)開關(guān)電路關(guān)閉18或19之后，由于寄生電容以及相應(yīng)的相變電阻16組成了 RC網(wǎng)絡(luò)，所以可以緩慢的實現(xiàn)電流的逐級降低。由于相變材料在不同退熱的下降時間內(nèi)，所呈現(xiàn)出來的晶體的個數(shù)以及成核過程會有很大的差別，如果不能夠很好的控制時間，會導(dǎo)致空位過多，減弱結(jié)晶過程，導(dǎo)致結(jié)晶后的電阻不能夠達(dá)到理想的低電阻的電學(xué)特性。傳統(tǒng)的電流鏡方法中沒有相應(yīng)具體的控制下降時間的方法，而是依賴于工藝的性能，因此在置位的過程中會出現(xiàn)電阻的阻值不穩(wěn)定，以及低電阻的電學(xué)特性不能完全展現(xiàn)的缺點。而且由于其下降時間不能得到合理的控制，在置位的過程中，電阻變化所導(dǎo)致的冗余功耗也阻礙了相變存儲器在功耗上的性能提高。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明提供一種相變存儲器的置位電路及其置位方法，以實現(xiàn)在SET 操作下降時間進(jìn)行控制。本發(fā)明提供的這種相變存儲器的置位電路，包括可調(diào)電壓脈沖源、第一開關(guān)電路、可變斜率電壓脈沖源、NMOS管、相變電阻和選通管。所述可調(diào)電壓脈沖源與第一開關(guān)電路的第一端相連；所述可變斜率電壓脈沖源的輸出端與NMOS管的柵極相連；所述第一開關(guān)電路的第二端和NMOS管的漏極與相變電阻的第一端相連；相變電阻的第二端與選通管的第一端相連；選通管的第二端和NMOS管的源極分別接地。可調(diào)電壓脈沖源在執(zhí)行置位操作時，輸出滿足SET操作所需溫度要求的第一電壓脈沖；所述第一開關(guān)電路在第一電壓脈沖到來時閉合，在第一電壓脈沖結(jié)束時斷開；所述可變斜率電壓脈沖源在第一電壓脈沖結(jié)束時輸出線性上升的第二電壓脈沖給NMOS管； NMOS管在收到第二電壓脈沖時導(dǎo)通；所述選通管在執(zhí)行SET操作時導(dǎo)通。較佳地，所述第一開關(guān)電路為帶控制端的開關(guān)器件。較佳地，所述第一開關(guān)電路包括第一反相器和第一 PMOS管；所述第一反相器的第一端與可調(diào)電壓脈沖源的輸出端相連，第二端與第一 PMOS管的柵極相連；第一 PMOS管的源極連接SET操作所需的電壓源，第一 PMOS管的漏極連接相變電阻的第一端。所述可變斜率電壓脈沖源由所述可調(diào)電壓脈沖源、第二反相器和第二 PMOS管實現(xiàn)；所述第二反相器的第一端與可調(diào)電壓脈沖源的輸出端相連，第二端與第二 PMOS管的柵極和所述NMOS管的柵極相連；第二 PMOS管的源極和漏極連接SET操作所需的電壓源。較佳地，該置位電路在所述相位電阻的第一端與接地端存在寄生電容。本發(fā)明提供的相變存儲器的置位方法，對于每個相變電阻采用上述的置位電路； 執(zhí)行SET操作包括如下步驟A、控制選通管導(dǎo)通。B、控制第一開關(guān)電路閉合，將所述可調(diào)電壓脈沖源輸出的第一電壓脈沖通過第一開關(guān)電路輸出給相變電阻。C、控制第一開關(guān)電路在第一電壓脈沖結(jié)束時斷開，且控制所述可變斜率電壓脈沖源在第一電壓脈沖結(jié)束時輸出線性上升的第二電壓脈沖導(dǎo)通NMOS管；所述相變電阻由自身放電和NMOS管緩慢放電。較佳地，所述第一開關(guān)電路包括第一反相器和第一 PMOS管；所述第一反相器的第一端與可調(diào)電壓脈沖源的輸出端相連，第二端與第一PMOS管的柵極相連；第一PMOS管的源極連接SET操作所需的電壓源，第一 PMOS管的漏極連接相變電阻的第一端。所述可變斜率電壓脈沖源由所述可調(diào)電壓脈沖源、第二反相器和第二 PMOS管實現(xiàn)；所述第二反相器的第一端與可調(diào)電壓脈沖源的輸出端相連，第二端與第二 PMOS管的柵極和所述NMOS管的柵極相連；第二 PMOS管的源極和漏極連接SET操作所需的電壓源。較佳地，所述步驟B為將由可調(diào)電壓脈沖源產(chǎn)生的從0到第一電壓脈沖幅值的變化電平輸出給第一反向器和第二反相器；第一反相器將電平反向后輸出給第一 PMOS管， 使第一 PMOS管導(dǎo)通，通過將所述電壓源經(jīng)第一 PMOS管輸入給相變電阻，實現(xiàn)將可調(diào)方波電壓脈沖電路輸出的第一電壓脈沖間接輸入給相變電阻；第二反相器將電平反向后輸出給 NMOS管，使NMOS管截止。所述步驟C為將由可調(diào)電壓脈沖源產(chǎn)生的從第一電壓脈沖到0的變化電平輸出給第一反向器和第二反相器；第一反相器將電平反向后輸出給第一 PMOS管，使第一 PMOS 管截止；第二反相器將電平反向后輸出給NMOS管，使NMOS管柵極的電壓呈線性上升，導(dǎo)通NMOS管；所述相變電阻由自身放電和NMOS管緩慢放電。較佳地，該寫入電路在所述相位電阻的第一端與接地端存在寄生電容。較佳地，所述步驟C中，相變電阻由自身放電、NMOS管和寄生電容實現(xiàn)緩慢放電。較佳地，所述第一電壓脈沖的幅值和脈寬根據(jù)對實際電路SET操作的檢測設(shè)置； NMOS管柵極的呈線性上升的電壓的時間，通過調(diào)整所述第二 PMOS管和NMOS管的尺寸實現(xiàn)。由上述的技術(shù)方案可見，本發(fā)明通過可變斜率電壓脈沖源和NMOS管，實現(xiàn)了對置位操作下降時間的控制。從而增加了置位操作的成功率，而且實現(xiàn)起來簡單易行。


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具體實施例方式本發(fā)明公開了一種相變存儲器的置位電路和置位方法，以下參照附圖并舉具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。第一較佳實施例如圖2所示，本發(fā)明第一較佳實施例的置位電路，包括可調(diào)電壓脈沖源21、第一開關(guān)電路26、可變斜率電壓脈沖源22、NMOS管23、相變電阻(PCE) 24和選通管(WL) 25。其中，可調(diào)電壓脈沖源21與第一開關(guān)電路26的第一端相連，可變斜率電壓脈沖源 22的輸出端與NMOS管23的柵極相連。第一開關(guān)電路26的第二端和NMOS管23的漏極與相變電阻24的第一端相連。相變電阻24的第二端與選通管25的第一端相連，選通管25 的第二端和NMOS管23的源極接地。圖2中，可調(diào)電壓脈沖源21在執(zhí)行置位操作時，輸出滿足SET操作所需溫度要求的第一電壓脈沖。第一開關(guān)電路26在第一電壓脈沖到來時閉合,在第一電壓脈沖結(jié)束時斷開。可變斜率電壓脈沖源22在第一電壓脈沖結(jié)束時輸出線性上升的第二電壓脈沖給NMOS 管23，NMOS管23在收到第二電壓脈沖時導(dǎo)通，該選通管25在執(zhí)行SET操作時導(dǎo)通。本實施例中，第一開關(guān)電路26為帶控制端的開關(guān)器件。由控制端控制開關(guān)器件的斷開和閉合。圖2所示的置位電路進(jìn)行SET操作的過程包括如下步驟A、控制選通管25導(dǎo)通。B、控制第一開關(guān)電路26閉合，將所述可調(diào)電壓脈沖源21輸出的第一電壓脈沖通過第一開關(guān)電路26輸出給相變電阻24C、控制第一開關(guān)電路26在第一電壓脈沖結(jié)束時斷開，且控制所述可變斜率電壓脈沖源22在第一電壓脈沖結(jié)束時輸出線性上升的第二電壓脈沖導(dǎo)通NMOS管23，相變電阻24由自身放電和NMOS管23緩慢放電。另外，本實施例的置位電路中，在相位電阻24的第一端與接地端存在寄生電容。 因此，在步驟C中，相變電阻23由自身放電、NMOS管23和寄生電容放電實現(xiàn)緩慢放電。
第二較佳實施例如圖3所示，本發(fā)明第二較佳實施例的置位電路包括可調(diào)電壓脈沖源31、第一反相器32、第二反相器33、第一 PMOS管34、NMOS管35、第二 PMOS管36、相變電阻37和選通管38。與圖2所示實施例相同，本實施例的置位電路在相位電阻37的第一端與接地端存在寄生電容30。本實施例中，第一反相器32和第一 PMOS管34實現(xiàn)圖2所示第一開關(guān)電路26的功能?？烧{(diào)電壓脈沖源31、第二反相器33和第二 PMOS管36實現(xiàn)圖2所示可變斜率電壓脈沖源22的功能。具體地，第一反相器32的第一端與可調(diào)電壓脈沖源31的輸出端相連，第二端與第一 PMOS管34的柵極相連。第一 PMOS管34的源極連接SET操作所需的電壓源VDD，第一 PMOS管34的漏極和NMOS管35的漏極連接相變電阻37的第一端。NMOS管35的源極接地。 第二反相器33的第一端與可調(diào)電壓脈沖源31的輸出端相連，第二端與第二 PMOS管36的柵極和所述NMOS管35的柵極相連。第二 PMOS管36的源極和漏極連接SET操作所需的電壓源。由圖3可見，本實施例中的第一 PMOS管34為開關(guān)電路，起到傳遞電壓的作用。 NMOS管35是用來降低相變電阻37第一端的電壓由高電平到低電平的下降過程。而圖3中第二 PMOS管36起到電容的作用，用來控制NMOS管35的柵極電壓從低電平到高電平的時間。第二反相器33能夠讓第二 PMOS管36實現(xiàn)相應(yīng)的控制時間的作用，第一反相器32能夠保證第一 PMOS管34和NMOS管35的柵極變化同步。本實施例中，相變電阻37和選通管38的連接關(guān)系與圖2所示實施例相同，這里不
再重復(fù)。圖3所示的置位電路進(jìn)行SET操作的過程包括如下步驟A、控制選通管25導(dǎo)通。B、將由可調(diào)電壓脈沖電路31產(chǎn)生的從0到第一電壓脈沖幅值的變化電平輸出給第一反向器32和第二反相器33。第一反相器32將電平反向后輸出給第一 PMOS管34,使第一 PMOS管34導(dǎo)通，通過將所述電壓源VDD經(jīng)第一 PMOS管34輸入給相變電阻37，實現(xiàn)將可調(diào)方波電壓脈沖電路輸出的第一電壓脈沖間接輸入給相變電阻37 ;第二反相器33將電平反向后輸出給NMOS管35，使NMOS管35截止。C、將由可調(diào)電壓脈沖電路31產(chǎn)生的從第一電壓脈沖到0的變化電平輸出給第一反向器32和第二反相器33。第一反相器32將電平反向后輸出給第一 PMOS管34,使第一 PMOS管34截止。第二反相器33將電平反向后輸出給NMOS管35，使NMOS管柵極的電壓呈線性上升，導(dǎo)通NMOS管35，所述相變電阻37由自身放電、寄生電容30和NMOS管35緩慢放電。參照圖4，在執(zhí)行SET操作時，首先可調(diào)電壓脈沖電路31給予一個電平變化，從0 到VDD(即SET操作所需第一電壓脈沖的幅值)。這樣，第一 PMOS管34以及NMOS管35的柵極會有一個電平變化，變化幅度為VDD到O。由于此時第二 PMOS管36沒有打開，因此對于NMOS管35的柵極電壓變化沒有影響。第一 PMOS管34完全打開，使得相變電阻37上的電壓能夠達(dá)到VDD，并且加載到相變電阻37上(本實施例為GST的相變材料)上面。當(dāng)加熱到可控時間41之后，使得溫度達(dá)到結(jié)晶溫度的時候，第一脈沖電壓由高電平到低電平轉(zhuǎn)換，這時第一 PMOS管34關(guān)閉，與此同時低電平使得第二 PMOS管36打開，延遲NMOS管35的柵極從低電平到高電平轉(zhuǎn)化，使得NMOS管35的柵極電壓會在可控時間42 內(nèi)呈現(xiàn)一個線性的上升電壓。由于NMOS管35的柵極處于線性的變化范圍，因此在接地形成回路的過程中，對于相變電阻37上的電壓放電會起到一個緩沖的作用，這樣就完全符合置位操作當(dāng)中需要將溫度慢慢降下來。實際應(yīng)用中，可控時間41可以通過調(diào)整輸入的第一電壓脈沖的寬度來實現(xiàn)，第一電壓脈沖的幅值和脈寬根據(jù)對實際電路SET操作的檢測設(shè)置的。可控時間42則需要調(diào)整第二 PMOS管36和NMOS管35的尺寸來調(diào)節(jié)。具體地，針對不同的工藝，可以選擇不同尺寸的第二 PMOS管36和NMOS管35來調(diào)整一個適合置位操作的最佳時間，以便于相變材料的結(jié)晶化達(dá)到最高，使得寫操作性能達(dá)到最佳。實際應(yīng)用中在調(diào)節(jié)調(diào)整第二 PMOS管36和NMOS管35的尺寸時，要盡量使脈沖的下降沿的斜率恰好控制在電阻變化的斜率上，這樣既滿足了高的結(jié)晶化程度而且也實現(xiàn)了功率的最小化。這里，電阻變化的斜率需要通過實際的實驗數(shù)據(jù)來確定，首先可以通過改變置位的不同的下降時間，將相變材料在期間形成的不同的電阻值記錄下來，然后將最大的阻值和最小的阻值連接成一條直線，既可以成為本發(fā)明中所需要的電阻變化的斜率曲線。由上述的實施例可見，應(yīng)用本發(fā)明可以調(diào)整置位操作的下降時間，會使得相變電阻即使在很大的范圍內(nèi)變化的時候，能夠?qū)崿F(xiàn)很高的結(jié)晶化程度，呈現(xiàn)低電阻的電學(xué)特性， 增加置位操作的成功率，而且能夠減少置位操作的功耗，改進(jìn)了原來由電流鏡產(chǎn)生恒定電流而產(chǎn)生的低概率的結(jié)晶和冗余功率，而且實現(xiàn)起來簡單易行。由于相變材料的尺寸日趨減小，所需要的功耗以及對于材料的要求會更加高，比如高阻和低阻之間的差值會逐漸減小，因此精確的實現(xiàn)低電阻的置位操作對于今后的技術(shù)可擴展性有著更廣闊的前景。
權(quán)利要求
1.一種相變存儲器的置位電路，其特征在于，包括可調(diào)電壓脈沖源、第一開關(guān)電路、 可變斜率電壓脈沖源、NMOS管、相變電阻和選通管；所述可調(diào)電壓脈沖源與第一開關(guān)電路的第一端相連；所述可變斜率電壓脈沖源的輸出端與NMOS管的柵極相連；所述第一開關(guān)電路的第二端和NMOS管的漏極與相變電阻的第一端相連；相變電阻的第二端與選通管的漏極相連；選通管的源極和NMOS管的源極接地；可調(diào)電壓脈沖源在執(zhí)行置位操作時，輸出滿足SET操作所需溫度要求的第一電壓脈沖；所述第一開關(guān)電路在第一電壓脈沖到來時閉合，在第一電壓脈沖結(jié)束時斷開；所述可變斜率電壓脈沖源在第一電壓脈沖結(jié)束時輸出線性上升的第二電壓脈沖給NMOS管；NM0S 管在收到第二電壓脈沖時導(dǎo)通；所述選通管在執(zhí)行SET操作時導(dǎo)通。
2.如權(quán)利要求I所述的置位電路，其特征在于所述第一開關(guān)電路為帶控制端的開關(guān)器件。
3.如權(quán)利要求I所述的置位電路，其特征在于所述第一開關(guān)電路包括第一反相器和第一 PMOS管；所述第一反相器的第一端與可調(diào)電壓脈沖源的輸出端相連，第二端與第一 PMOS管的柵極相連；第一 PMOS管的源極連接SET操作所需的電壓源，第一 PMOS管的漏極連接相變電阻的第一端；所述可變斜率電壓脈沖源由所述可調(diào)電壓脈沖源、第二反相器和第二 PMOS管實現(xiàn)；所述第二反相器的第一端與可調(diào)電壓脈沖源的輸出端相連，第二端與第二 PMOS管的柵極和所述NMOS管的柵極相連；第二 PMOS管的源極和漏極連接SET操作所需的電壓源。
4.如權(quán)利要求3所述的置位電路，其特征在于該置位電路在所述相位電阻的第一端與接地端存在寄生電容。
5.一種相變存儲器的置位方法，其特征在于對于每個相變電阻采用權(quán)利要求I所述的置位電路；執(zhí)行SET操作包括如下步驟A、控制選通管導(dǎo)通；B、控制第一開關(guān)電路閉合，將所述可調(diào)電壓脈沖源輸出的第一電壓脈沖通過第一開關(guān)電路輸出給相變電阻；C、控制第一開關(guān)電路在第一電壓脈沖結(jié)束時斷開，且控制所述可變斜率電壓脈沖源在第一電壓脈沖結(jié)束時輸出線性上升的第二電壓脈沖導(dǎo)通NMOS管；所述相變電阻由自身放電和NMOS管緩慢放電。
6.如權(quán)利要求5所述的置位方法，其特征在于所述第一開關(guān)電路包括第一反相器和第一 PMOS管；所述第一反相器的第一端與可調(diào)電壓脈沖源的輸出端相連，第二端與第一 PMOS管的柵極相連；第一 PMOS管的源極連接SET操作所需的電壓源，第一 PMOS管的漏極連接相變電阻的第一端；所述可變斜率電壓脈沖源由所述可調(diào)電壓脈沖源、第二反相器和第二 PMOS管實現(xiàn)；所述第二反相器的第一端與可調(diào)電壓脈沖源的輸出端相連，第二端與第二 PMOS管的柵極和所述NMOS管的柵極相連；第二 PMOS管的源極和漏極連接SET操作所需的電壓源。
7.如權(quán)利要求5所述的置位方法，其特征在于所述步驟B為將由可調(diào)電壓脈沖源產(chǎn)生的從O到第一電壓脈沖幅值的變化電平輸出給第一反向器和第二反相器；第一反相器將電平反向后輸出給第一 PMOS管，使第一 PMOS管導(dǎo)通，通過將所述電壓源經(jīng)第一 PMOS管輸入給相變電阻，實現(xiàn)將可調(diào)方波電壓脈沖電路輸出的第一電壓脈沖間接輸入給相變電阻；第二反相器將電平反向后輸出給NMOS管，使NMOS管截止；所述步驟C為將由可調(diào)電壓脈沖源產(chǎn)生的從第一電壓脈沖到O的變化電平輸出給第一反向器和第二反相器；第一反相器將電平反向后輸出給第一 PMOS管，使第一 PMOS管截止；第二反相器將電平反向后輸出給NMOS管，使NMOS管柵極的電壓呈線性上升，導(dǎo)通NMOS 管；所述相變電阻由自身放電和NMOS管緩慢放電。
8.如權(quán)利要求7所述的置位方法，其特征在于該寫入電路在所述相位電阻的第一端與接地端存在寄生電容。
9.如權(quán)利要求8所述的置位方法，其特征在于所述步驟C中，相變電阻由自身放電、 NMOS管和寄生電容實現(xiàn)緩慢放電。
10.如權(quán)利要求7-9所述的寫入方法，其特征在于所述第一電壓脈沖的幅值和脈寬根據(jù)對實際電路SET操作的檢測設(shè)置；NM0S管柵極的呈線性上升的電壓的時間，通過調(diào)整所述第二 PMOS管和NMOS管的尺寸實現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種相變存儲器的置位電路，由可調(diào)電壓脈沖源與第一開關(guān)電路的第一端相連；所述可變斜率電壓脈沖源的輸出端與NMOS管的柵極相連；所述第一開關(guān)電路的第二端和NMOS管的漏極與相變電阻的第一端相連；相變電阻的第二端與選通管的漏極相連；選通管的源極和NMOS管的源極分別接地；可調(diào)電壓脈沖源在執(zhí)行置位操作時，輸出第一電壓脈沖；所述第一開關(guān)電路在第一電壓脈沖到來時閉合，在第一電壓脈沖結(jié)束時斷開；所述可變斜率電壓脈沖源在第一電壓脈沖結(jié)束時輸出線性上升的第二電壓脈沖給NMOS管；NMOS管在收到第二電壓脈沖時導(dǎo)通。本發(fā)明還公開了應(yīng)用上述置位電路的置位方法。本發(fā)明實現(xiàn)了對置位操作下降時間的控制，增加了置位操作的成功率。
文檔編號G11C11/56GK102592663SQ20121003669
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月17日
發(fā)明者洪紅維, 王瑞哲, 董驍, 黃崇禮 申請人:北京時代全芯科技有限公司