相变存储器驱动电路制造技术

本发明专利技术涉及一种相变存储器驱动电路，其特征在于采用两级电流镜结构，第一级为由ＮＭＯＳ管形成的电流镜电路，第二级为由ＰＭＯＳ管形成的电流镜电路，第一级与第二级电流镜电路相互连接，并且第二级的输出信号最终耦合至位线。在第一级与第二级电流镜电路之间加入控制开关，控制读、写、擦除操作电流的脉冲时序。所述的电流镜结构第二级电流镜电路采用共源共栅或其改进电流结构，可抑制驱动电路中电流镜的沟道长度调制效应的影响，从而使相变存储器的驱动电路镜像电流的误差减小或消除，并且后级负载对前级电路的影响减弱，达到电流一致性。所提供的驱动电路是为驱动相变存储单元发生可逆相变，实现信息存储的一种电流脉冲电路。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种相变存储器驱动电路，更具体地说是为一种产生的电流 脉冲加到不同存储单元上而取得很好的一致性的，并且下降沿可控的相变存 储器驱动电路设计，该电路可确保相变单元的相变过程顺利进行，属于大规 模集成电路
技术背景相变存储器是一种新型的存储器，随着技术和工艺的发展，器件中材料 的尺寸可縮小到纳米量级，材料发生相变所需的电压大大降低、功耗减小。 在研发下一代高性能不挥发存储技术的激烈竞争中，相变存储器在读写速度， 读写次数，数据保持时间，单元面积，功耗等方面的诸多优势显示了极大的 竞争力，因而得到了较快的发展。相变存储器的基本原理是加工到纳米尺寸的可逆相变材料，利用材料 晶态时的低阻与非晶态时的高阻特性来实现不同状态的存储，相变存储器所用的材料非常少，存储密度高且制造简单，只需在现有的CM0S工艺上增加2 一4次掩模工序就能制造出来，和现成的大规模集成电路工艺结合十分完美。 相变存储器的读、写、擦除(即Read，Reset，Set)可通过电压或电流脉 冲信号进行操作，读操作(Read)是靠读出相变单元上的电压以表征其电阻 的大小，此时所加电压或电流脉冲的强度很弱，产生的热能使相变材料的温 度低于结晶温度，材料不发生相变。写入过程(Reset)是加一个短而强的电 压或电流脉冲，相变材料的温度升高到熔化温度以上，经快速冷却，多晶的 长程有序遭到破坏，从而实现由多晶向非晶的转化，低阻变为高阻；擦除过 程(Set)是施加一个长且强度中等的电压或电流脉冲，相变材料的温度升高 到结晶温度以上，但低于熔化温度，保持一定的时间(一般小于50纳秒)， 使相变材料由无定形转化为多晶，高阻变为低阻。在一个大规模的存储阵列中，由于GST材料自身特性及工艺制造误差引入的不确定性，并且由于驱动源到不同存储单元之间经过的位线长度不同， 对应的位线电阻也存在差异，因此，由单一驱动源产生的驱动电流在不同存 储单元上存在一个偏差，有可能影响相变过程顺利转变。为了解决这一问题，Samsung提出了一种单元电流调整(Cell Current Regulation, CRR)方法，该方法是将一条位线上的单元按离驱动源的距离远 近进行不同的分组，对较近的存储单元提供较小的驱动电流，较远的提供较 大的驱动电流，使不同区域的存储单元尽可能获得一致的驱动电流，但这一 方法要求外围电路产生多个不同的驱动源，同时向其提供必要的位线地址进 行选择，增加了外围电路的规模与复杂度。复旦大学提出了一种利用对称位线补偿方法(Symmetric Bit line Compensation, SBC)，如图4所示，利用一根与原位线相同的连接线，对称的补偿在原位线上由于不同的存储单元离写驱动源距离不同引起的电阻差 异。但该方法由于各单元内的MOS选通管此时具有不同的衬偏效应，在相同 的栅压下具有不同的导通电阻，并且未考虑GST单元本身电阻的差异，因此 驱动电流一致性问题仍未很好的解决。读、写、擦除的操作电压或电流脉冲的宽度与强度都有一个最佳操作窗 口，并且相变过程对所加的电流脉冲下降沿也很敏感。由于Reset时相变材 料需要快速冷却，所需的电压或电流脉冲下降沿必须很陡(一般小于5ns)， 而Set时，为了使材料结晶完全，所需的电压或电流脉冲下降沿不必很陡， 应该稍缓一些。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种用于相变存储器的驱动电路，该驱动电路可 以产生符合需要的电流脉冲，并且加到存储单元上的电流，不随GST材料自 身特性和工艺制造误差引入的不确定性以及由于驱动源到不同存储单元之间 经过的走线长度不同弓I起对应的走线电阻存在差异而受到影响。同时，该驱动电路产生的电流脉冲不仅有着一定的脉宽和脉高，同时可 以产生比较精确的脉冲下降沿，这样，确保了相变材料顺利实现相变。驱动电流的产生主要是根据电流镜的映射实现的，基本原理如图5所示。 具体实施时，采用了两级电流镜结构，第一级为由NMOS管形成的电流镜，第 二级为由PMOS管形成的电流镜，这样，由基准电流源电路产生的基准电流， 通过两级映射后产生的电流最终耦合至位线，加到GST单元上。由于GST材料自身特性及制造工艺误差，每个GST单元的阻值情况是有 差别的，并非完全一致，并且不同的GST单元由于位置的不同，离驱动电流 源的距离也不同，金属走线的电阻情况也不同，采用图7所示的基本结构， 则因为上述原因，导致电流镜因为沟道长度调制效应而不能完全精确复制基 准电流，最终加到GST单元上的电流仍存在差异。本专利技术采用的电流镜或其改进结构，主要是为了使每个存储单元上电流 尽可能一致。本专利技术的一个例子采用了共源共栅或其改进结构，抑制了沟道 长度调制效应，可使得原有结构产生的镜像电流的误差减小或消除。相变单元GST发生相变不仅对所施加的电流脉冲的宽度及强度有关，而 且与脉冲下降沿的关系也极为紧密。为了在Set时能尽可能使相变材料结晶 完全，Set电流脉冲的下降沿需要稍缓一些；而为了在Reset操作时使相变 材料顺利由多晶态转为非晶态，Reset电流脉冲的下降沿需要稍陡一些，一 般需要小于5纳秒。为了能得到较精确的电流脉冲下降沿，本专利技术在结构设计上进行了较细 致的设计，通过对电流源输出电容的改变，从而使得电流脉冲下降沿改变， 可通过多个这样的结构实现电流脉冲下降沿可控。综上所述，本专利技术提供的相变存储器驱动电路，其特征在于(1) 采用两级电流镜结构，第一级为由NMOS管形成的电流镜电路， 第二级为由PMOS管形成的电流镜电路，第一级与第二级电流镜电路相互连 接，并且第二级的输出信号最终耦合至位线。(2) 在第一级与第二级电流镜电路之间加入控制开关，控制读、写、擦 除操作电流的脉冲时序。(3) 所述的电流镜结构第二级电流镜电路采用共源共栅或其改进电流结 构，可抑制驱动电路中电流镜的沟道长度调制效应的影响，从而使相变存储 器的驱动电路镜像电流的误差减小或消除，并且后级负载对前级电路的影响 减弱，达到电流一致性。(4) 通过对第二级电流镜输出电容的改变，使得电流脉冲下降沿改变，并通过多个这样的结构实现电流脉冲下降沿可控，更好的实现对相变存储单 元的编程操作。(5)第二级电流镜输出电容的改变是通过改变第二级电流镜电路中 PMOS管的尺寸，并通过设置一系列不同尺寸的PMOS管电流镜，同时加入 多个控制开关来实现电流脉冲下降沿可控。本专利技术提出的相变存储器驱动电路，为驱动相变存储单元发生可逆相变、 实现信息存储的一种电流脉冲电路；该电路设计，可产生不同脉宽与脉高的 电流脉冲，对存储单元进行读、写、擦除操作，并可实现加载到不同存储单 元上的电流脉冲具有较好的一致性，从而保证驱动的可逆相变区域的一致性， 实现读、写、擦除操作的一致性。从提高加热效率，降低存储单元操作功耗 角度，充分考虑电流脉冲的下降沿的设计，擦除时设计陡直的下降沿，保证 相变材料融化态的无定形状态快速冷却，实现多晶向非晶的快速转化，写操 作时需要稍缓的下降沿，保证相变材料非晶态向多晶态的充分晶化；考虑了 不同存储单元自身差异及路径差异，通过电流脉高、脉宽与下降沿的优化电 路设计，实现存储操作的有效进行。总之，本专利技术提供的相变存储器驱动电 路并没有增加整个电路的规模及本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种相变存储器的驱动电路，其特征在于采用两级电流镜结构，第一级为由ＮＭＯＳ管形成的电流镜电路，第二级为由ＰＭＯＳ管形成的电流镜电路，第一级与第二级电流镜电路相互连接，并且第二级的输出信号最终耦合至位线。

【技术特征摘要】
1. 一种相变存储器的驱动电路，其特征在于采用两级电流镜结构，第一级为由NMOS管形成的电流镜电路，第二级为由PMOS管形成的电流镜电路，第一级与第二级电流镜电路相互连接，并且第二级的输出信号最终耦合至位线。2. 根据权利要求1所述的相变存储器驱动电路，其特征是在第一级与第 二级电流镜电路之间加入控制开关，控制读、写、擦除操作电流的脉冲时序。3. 根据权利要求1所述的相变存储器的驱动电路，其特征是所述的电流 镜结构第二级电流镜电路采用共源共栅或其改进电流结构，可抑制驱动电路 中电流镜的沟道长度调制效应的影响，从而使...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋志棠，沈菊，刘波，封松林，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]