CN101414480B - 相变存储单元控制装置及增加相变存储单元可靠度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种相变存储单元控制技术，以令彼此间具有工艺误差的多个相变存储单元在设定模式下具有相同的电阻值。

Description

相变存储单元控制装置及增加相变存储单元可靠度的方法 

技术领域

本发明涉及相变存储单元(phase change storage element)的控制装置与增加相变存储单元的可靠度的方法。 

背景技术

相变存储单元常用来作为存储器，称为相变存储器(Phase ChangeMemory，PCM)。通过改变输入相变存储单元的一写入电流的大小、与调整该写入电流的一导通区间，相变存储单元会在晶态(crystalline)与非晶态(amorphous)之间切换。在高写入电流、短导通区间的状态下，相变存储单元为非晶态，具有高阻值。此时，相变存储单元处于一重置模式(reset)，所记录的数据为位‘1’。在低写入电流、长导通区间的状态下，相变存储单元为晶态状态，具有低阻值。此时，相变存储单元处于一设定模式(set)，所记录的数据为位‘0’。 

为了增大存储器容量，现今存储器通常包括多个存储器组(memorybanks)。在制造过程中，由于所述存储器组分布在一晶片板的不同区块，彼此的电子特性会因为工艺误差而有些微差异。在相变存储器中，上述工艺误差将导致不同存储器组内的相变存储单元在设定模式下具有不一致的电阻值。 

举例说明，假设一相变存储单元在设定模式时的一理想设定模式电阻值为10K欧姆。在理想状态下，将一写入电流写入该相变存储单元的一理想导通区间后，该相变存储单元的电阻值理应为10K欧姆(等于该理想设定模式电阻值)。然而，在实际状况下(存在工艺误差)，某些存储器组内的相变存储单元会较不易转换至设定模式。在此状况下，即使在上述理想导通区间内持续将该写入电流写入其中，该相变存储单元的电阻值仍将高于该理想设定模式电阻值(10K欧姆)，例如15K欧姆。在另一种状况下，某些存储器组内的相变存储单元会较易转换至设定模式。此时，在上述理想导通区间中持续将该写入电流写入其中将令相变存储单元的电阻值低于该理想设定模式电阻值，例如8K欧姆。 

很明显地，我们需要发展一种技术，得以针对不同存储器组内的相变存储单元作控制，使其在设定模式时的电阻值皆为该理想设定模式电阻值，以确保存储器的可靠度。 

发明内容

本发明提供一种相变存储单元控制装置，其中包括一电流源、一参考用相变存储单元、一基准电阻、一导通区间控制器、以及一第二切换器。该电流源负责提供一写入电流。该参考用相变存储单元的工艺与一相变存储单元近似。该基准电阻的电阻值为该参考用相变存储单元的一理想设定模式电阻值。该导通区间控制器包括一第一切换器。根据该第一切换器所耦接的电阻，该导通区间控制器将控制该写入电流的一导通区间，以令该导通区间随着该第一切换器所耦接的电阻的电阻值变大而增长、变小而缩短。该第二切换器负责耦接该写入电流至该参考用相变存储单元、或该相变存储单元。在一第一操作模式时，该第一切换器耦接该基准电阻，并且该第二切换器耦接该写入电流至该参考用相变存储单元。在一第二操作模式时，该第一切换器耦接该参考用相变存储单元，并且该第二切换器耦接该写入电流至该相变存储单元。其中，在该第一操作模式下，该导通区间控制器将令上述导通区间等于对应该理想设定模式电阻值与该写入电流的一理想导通区间。其中，上述导通区间控制器还包括：一振荡器，包括串接的多个反相器，用以产生一振荡信号；一计数器，计数该振荡信号的振荡数量以决定上述导通区间的长度；以及一振荡器驱动电流产生器，根据上述第一切换器所耦接的电阻的电阻值产生一驱动电流驱动上述反相器，以令该第一切换器所耦接的电阻的电阻值越大则该驱动电流越小。 

本发明还提供一种增加相变存储单元可靠度的方法。此方法提供一参考用相变存储单元、一基准电阻、以及一导通区间控制器。该参考用相变存储单元的工艺近似一相变存储单元。该基准电阻的电阻值为该参考用相变存储单元的一理想设定模式电阻值。该导通区间控制器包括一第一切换器。该导通区间控制器将令一写入电流的一导通区间随着该第一切换器所耦接的电阻的电阻值上升而变长、下降而缩短。此外，该导通区间控制器将令上述导通区间于该第一切换器耦接该基准电阻时等于对应该理想设定模式电阻值 与该写入电流的一理想导通区间。此方法首先将令该第一切换器耦接该基准电阻、该写入电流耦接至该参考用相变存储单元，以令该参考用相变存储单元转换为设定模式。之后，此方法将该第一切换器耦接该参考用相变存储单元、该写入电流耦接至该相变存储单元，以令该相变存储单元转换为设定模式。其中，上述所提供的导通区间控制器还包括：一振荡器，包括串接的多个反相器，用以产生一振荡信号；一计数器，计数该振荡信号的振荡数量以决定上述导通区间的长度；以及一振荡器驱动电流产生器，根据上述第一切换器所耦接的电阻的电阻值产生一驱动电流驱动上述反相器，以令该第一切换器所耦接的电阻的电阻值越大则该驱动电流越小。 

为使本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举出几个实施例，并结合附图作详细说明。 

附图说明

图1为本发明的相变存储单元控制装置在第一模式时的电路示意图； 

图2为本发明的相变存储单元控制装置在第二模式时的电路示意图； 

图3为应用本发明的相变存储器的示意图； 

图4为本发明的导通区间控制器的一种实施方式； 

图5为本发明的导通区间控制器的一种实施方式；以及 

图6为本发明增加相变存储单元可靠度的方法的流程图。 

附图符号说明 

102～电流源； 

104～导通区间控制器； 

106～开关； 

402～振荡器； 

404～计数器； 

406～振荡器驱动电流产生器； 

408～振荡信号； 

602～提供一参考用相变存储单元、一基准电阻、以及一导通区间控制器； 

604～令该导通区间控制器的一第一切换器耦接该基准电阻，并且耦接 写入电流至该参考用相变存储单元；以及 

606～令该第一切换器耦接该参考用相变存储单元，并且耦接写入电流至该相变存储单元。 

I～驱动电流； 

I_s～写入电流； 

Inv～反相器； 

M₁、M₂～晶体管； 

PCM～相变存储单元； 

PCM_ref、PCM_ref1-4～参考用相变存储单元； 

R_b～基准电阻； 

V_bias～偏压源；以及 

SW₁～第一切换器。 

具体实施方式

本发明提供一种相变存储单元控制装置，其操作模式包括一第一操作模式以及一第二操作模式。本发明的相变存储单元控制装置在该第一、与第二操作模式时的电路示意图分别如图1、2所示。参阅图1、2所示的实施例，一相变存储单元控制装置包括一电流源102、一参考用相变存储单元PCM_ref、一基准电阻R_b、一导通区间控制器104、以及一第二切换器(未显示于图中)。该电流源102负责提供一写入电流I_S。 

该参考用相变存储单元PCM_ref的工艺与此控制装置所要控制的一相变存储单元PCM近似；两者被转换至设定模式的难易度相当。该基准电阻R_b的电阻值为该参考用相变存储单元PCM_ref的一理想设定模式电阻值。该导通区间控制器104包括一第一切换器(未显示在图中)。根据该第一切换器所耦接的电阻，该导通区间控制器104控制该写入电流I_S的一导通区间，以令该导通区间随着该第一切换器所耦接的电阻的电阻值增加而变长、降低而变短。在图1、2所示的实施方式中，该导通区间控制器104通过控制一开关106的导通状态控制该写入电流I_S的导通区间。上述第二切换器(未显示于图中)负责耦接该写入电流I_S至该参考用相变存储单元PCM_ref或该相变存储单元PCM。 

参考图1，在该第一操作模式时，该第一切换器耦接该基准电阻R_b，并 且该第二切换器耦接该写入电流I_S至该参考用相变存储单元PCM_ref。此时，该导通区间控制器104将令上述导通区间等于对应该理想设定模式电阻值与该写入电流I_S的一理想导通区间。在理想状态下，将该写入电流I_S输入该参考用相变存储单元PCM_ref一理想导通区间将令其电阻值等于上述理想设定模式电阻值。然而，在实际状况下，由于工艺误差，该参考用相变存储单元PCM_ref的电阻值会偏离上述理想设定模式电阻值。 

完成第一操作模式后，本发明的相变存储单元控制器切换至第二操作模式。参考图2，在该第二操作模式时，该第一切换器耦接该参考用相变存储单元PCM_ref，并且该第二切换器耦接该写入电流I_S至该相变存储单元PCM。由于该导通区间控制器104会随着该第一切换器所耦接的电阻的电阻值调整上述导通区间的长度，故即使该参考用相变存储单元PCM_ref偏离该理想设定模式电阻值，该导通区间的长度也会随之调整。该写入电流将于适当的导通区间中输入该相变存储单元PCM，使该相变存储单元PCM的电阻值为该理想设定模式电阻值。本发明将令该相变存储单元PCM在设定模式时的电阻值不受工艺误差影响。 

本发明可应用于相变存储器。如图3所示，假设一存储器内有四个存储器组(memory banks)。各个存储器组内的存储单元为相变存储单元。由于不同存储器组间存在工艺误差，故不同存储器组的相变存储单元在设定模式(set)时会有不同电阻值。为了令所有相变存储单元在设定模式时具有一致电阻值，本发明在各存储器组附近各设计一参考用相变存储单元。如图3所示的实施方式，参考用相变存储单元PCM_ref1～PCM_ref4分别设计在存储器组1～4旁边。由于一晶片板上，相近区域的工艺误差极小，故参考用相变存储单元PCM_ref1～PCM_ref4的工艺各自近似存储器组1～4，并且其转换至设定模式的难易度与所对应的存储器组雷同。结合图3的存储器设计应用本发明，将可令不同存储器组的相变存储单元在设定模式时具有一致电阻值。 

图4为本发明的导通区间控制器的一种实施方式。除了上述第一切换器SW₁，该导通区间控制器还包括一振荡器402、一计数器404、以及一振荡器驱动电流产生器406。该振荡器402包括串接的多个反相器Inv；其输出端为一振荡信号408。如图所示，该振荡信号408的周期将随着上述反相器Inv的驱动电流I改变。该驱动电流I越大，则上述反相器Inv的反应速度越快，导致该振荡信号408的周期越短。该计数器404负责计数该振荡信号408 的振荡数量以决定上述导通区间的长度。该振荡信号408的周期越长，则该导通区间的长度越长；该振荡信号408的周期越短，则该导通区间的长度越短。该振荡器驱动电流产生器406将根据上述第一切换器SW₁所耦接的电阻(R_b或PCM_ref)的电阻值产生一驱动电流I驱动上述反相器Inv。该振荡器驱动电流产生器406将令该驱动电流I随着该第一切换器SW₁所耦接的电阻的电阻值增加而下降、降低而上升。 

在图4所示的实施方式中，上述振荡器驱动电流产生器406包括一晶体管M₁以及一偏压源V_bias。该晶体管M₁串接该第一切换器SW₁所耦接的电阻(R_b或PCM_ref)。该偏压源V_bias耦接该晶体管M₁的栅极，以提供上述第一切换器SW₁所耦接的电阻一压降。流经该第一切换器SW₁所耦接的电阻(R_b或PCM_ref)的电流值即上述驱动电流I。如图所示，该第一切换器SW₁所耦接的电阻(R_b或PCM_ref)的电阻值越大，则该驱动电流I越小。 

图5为本发明的导通区间控制器的另一种实施方式。如图所示，此实施例以一分压电阻R_d、一偏压源V_bias、以及一晶体管M₂实现振荡器驱动电流产生器。该分压电阻R_d串接该第一切换器SW₁所耦接的电阻(R_b或PCM_ref)。该偏压源V_bias提供压降供该第一切换器所耦接的电阻(R_b或PCM_ref)与该分压电阻R_d使用。该晶体管M₂由该偏压源V_bias在该分压电阻R_d上的压降所驱动，所产生的电流值即上述驱动电流I。如图所示，该第一切换器SW₁所耦接的电阻(R_b或PCM_ref)的电阻值越大，则该驱动电流I越小。 

本发明还提出一种增加相变存储单元可靠度的方法。图6为本方法的流程图。步骤602提供一参考用相变存储单元、一基准电阻、以及一导通区间控制器。该参考用相变存储单元的工艺与此方法所要控制的一相变存储单元近似；故其转换至设定模式的难易度与该相变存储单元相当。该基准电阻的电阻值为该参考用相变存储单元的一理想设定模式电阻值。该导通区间控制器包括一第一切换器。随着该第一切换器所耦接的电阻的电阻值上升，该导通区间控制器将令一写入电流的一导通区间变长；反之，若该第一切换器所耦接的电阻的电阻值下降，则该导通区间变短。在该第一切换器耦接该基准电阻时的状况下，该导通区间控制器将令该导通区间等于对应该理想设定模式电阻值与该写入电流的一理想导通区间。具备上述组件后，本方法在步骤604令该第一切换器耦接该基准电阻，并且令该写入电流耦接至该参考用相变存储单元。此步骤将令该写入电流输入该参考用相变存储单元一理想导通 区间，以将其转换至设定模式。然而，由于工艺误差，该参考相变存储单元会偏离上述理想设定模式电阻值。当然，若同样在该理想导通区间将该写入电流输入上述相变存储单元必然也会使该相变存储单元的电阻值偏离上述理想设定模式电阻值；因此本方法以步骤606补偿此工艺误差所造成的电阻值偏移。步骤606令该第一切换器耦接该参考用相变存储单元，并且令该写入电流耦接至该相变存储单元。该导通区间控制器将根据该参考用相变存储单元的电阻值调整该导通区间的长度。该参考用相变存储单元目前的电阻值与其转换至设定模式的难易度相关；较难转换至设定模式的参考用相变存储单元，其电阻值较大，会让导通区间控制器输出较长导通区间；而参考用相变存储单元是较易转换至设定模式的情况时，其电阻值较小，会让导通区间控制器输出较短导通区间。此方法将令具有工艺误差的多个相变存储单元在设定模式下具有一致的电阻值，可大幅增加相变存储单元的可靠度。 

本发明虽以几个实施例披露如上，然其并非用以限定本发明的范围，本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，当可做若干的更改与修饰，因此本发明的保护范围应以本发明的权利要求为准。 

Claims (4)

1.一种相变存储单元控制装置，其中包括：

一电流源，提供一写入电流；

一参考用相变存储单元，其工艺与一相变存储单元近似；

一基准电阻，其电阻值为该参考用相变存储单元的一理想设定模式电阻值；

一导通区间控制器，包括一第一切换器，并且根据该第一切换器所耦接的电阻控制该写入电流的一导通区间，以令该第一切换器所耦接的电阻的电阻值越大则该导通区间越长；以及

一第二切换器，耦接该写入电流至该参考用相变存储单元或该相变存储单元；

其中，该相变存储单元控制装置的操作模式包括一第一与一第二操作模式；在该第一操作模式时，该第一切换器耦接该基准电阻，并且该第二切换器耦接该写入电流至该参考用相变存储单元；在该第二操作模式时，该第一切换器耦接该参考用相变存储单元，并且该第二切换器耦接该写入电流至该相变存储单元；

其中，在该第一操作模式下，该导通区间控制器将令上述导通区间等于对应该理想设定模式电阻值与该写入电流的一理想导通区间，

其中上述导通区间控制器还包括：

一振荡器，包括串接的多个反相器，用以产生一振荡信号；

一计数器，计数该振荡信号的振荡数量以决定上述导通区间的长度；以及

一振荡器驱动电流产生器，根据上述第一切换器所耦接的电阻的电阻值产生一驱动电流驱动上述反相器，以令该第一切换器所耦接的电阻的电阻值越大则该驱动电流越小。

2.如权利要求1所述的相变存储单元控制装置，其中上述振荡器驱动电流产生器包括：

一晶体管，串接该第一切换器所耦接的电阻；以及

一偏压源，耦接该晶体管的栅极，以提供上述第一切换器所耦接的电阻一压降，其中，流经该第一切换器所耦接的电阻的电流值即上述驱动电流。

3.如权利要求1所述的相变存储单元控制装置，其中上述振荡器驱动电流产生器包括：

一分压电阻，串接该第一切换器所耦接的电阻；

一偏压源，供该第一切换器所耦接的电阻与该分压电阻使用；以及

一晶体管，由该偏压源于该分压电阻上的压降所驱动，所产生的电流值即上述驱动电流。

4.一种增加相变存储单元可靠度的方法，其中包括：

提供一参考用相变存储单元，其工艺与一相变存储单元近似；

提供一基准电阻，其电阻值为该参考用相变存储单元的一理想设定模式电阻值；

提供一导通区间控制器，其中包括一第一切换器；该导通区间控制器将令一写入电流的一导通区间随着该第一切换器所耦接的电阻的电阻值上升而变长，并且令上述导通区间于该第一切换器耦接该基准电阻时等于对应该理想设定模式电阻值与该写入电流的一理想导通区间；

令该第一切换器耦接该基准电阻，并且令该写入电流耦接至该参考用相变存储单元；以及

令该第一切换器耦接该参考用相变存储单元，并且令该写入电流耦接至该相变存储单元，

其中上述所提供的导通区间控制器还包括：

一振荡器，包括串接的多个反相器，用以产生一振荡信号；

一计数器，计数该振荡信号的振荡数量以决定上述导通区间的长度；以及

一振荡器驱动电流产生器，根据上述第一切换器所耦接的电阻的电阻值产生一驱动电流驱动上述反相器，以令该第一切换器所耦接的电阻的电阻值越大则该驱动电流越小。

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