一种相变存储器的驱动电路设计

1、 一种相变存储器的驱动电路设计相变存储器（PC2RAM）是一种新型半导体存储器，在研发下一代高性能不挥发存储技术的激烈竞争中，PC2RAM 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，得到了较快的发展。相变存储器是利用加工到纳米尺寸的相变材料在晶态与非晶态时不同的电阻状态来实现数据存储。读、写操作是通过施加电压或电流脉冲信号在相变存储单元上进行的。相变存储单元对驱动电路产生的驱动电压或电流十分敏感，因此，设计一个性能优良的驱动电路成为实现芯片功能的关键。本文介绍了一种新型的、结构简单的相变存储器驱动电路设计，该电路采用电流驱动方式，主要包括基准电压电路

2、、偏置电流电路、电流镜电路及控制电路。图 1 为相变存储器内部结构框图，主要包括相变存储单元阵列（1r1tarray）、地址解码器（rowdec 和 columndec）、读写驱动电路（drv8）、驱动控制电路（drvcon）和读出放大电路（sa8）。相变存储单元阵列包括字线、位线和处在字线与位线的交叉区的相变存储单元，每一个存储单元包括一条字线、一个选通管及一个相变电阻，并且每一个相变电阻均可在非晶态与晶态之间进行编程；地址解码器解码输入行地址，以选择每个存储单元的字线，位选择电路根据输入的列地址，选择一条位线；驱动电路生成将所选存储单元编程为非晶态或晶态的写电流，以及读出被编程后的存储单元

3、状态的读电流；驱动控制电路由控制逻辑与脉冲信号发生器组成，用于产生一定脉冲宽度的读/写脉冲，其中，写过程包括写“0”、写“1”两种情况（Set 和 Reset），对应相变单元在晶态（低阻）及非晶态（高阻）之间的转换。1.2 驱动电路本文所设计的相变存储器驱动电路主要结构如图 2 所示。首先，由带隙基准电压电路 bgn 生成高精度的基准电压 Vref,接着，该基准电压通过一级偏置电流产生电路偏置产生高精度的偏置电流 Ibias, 偏置电流输出给后级用于最终驱动的电路 drv。drv 由两级电流镜电路组成，每一级有三个电流镜结构，可分别用于产生大小不同的 Read、Set、Reset 电流，drv

4、con 用于控制产生所需的电流脉冲。基准电压电路如图 3 所示，主要由控制电路、核心电路、提高电源抑制比（PSRR）电路及启动电路组成。该电路最终可产生高精度的基准电压输出，在温度为10 120时，具有 613106/ 的温度系数，在电源电压为 310316V 变化时基准输出随电源电压变化仅为 010101%/V,PSRR 为 69dB。各种工艺偏差均较小，相对 TT 模型的最大偏差为 01002311,是一种低温度系数，高电源抑制比的带隙基准电压源。图 4 和图 5 分别给出该带隙基准电压的温度特性曲线及电源抑制特性曲线。 1.2.2 偏置电流偏置电流产生电路如图 6 所示，其实现方法主要是

5、通过差分运放的负反馈及电流镜的映射实现，通过前级电压输出给 AMP 一端，经负反馈电路得到 AMP 另一端输出电压等于 Vref,该电压加在高精度电阻 R 上，得到一高精度的电流，经电流镜电路映射最终得到两路电流输出 IOUT1,IOUT2,其中，IOUT1 用于后级驱动的电流镜电路所需的偏置，IOUT2 则用于读出放大时所需的偏置。该两路电流均为高精度的。图 7 和 8 为电流的输出特性曲线。 1.2.3 电流镜 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 9 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。由

6、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，加到相变单元上。该两级电流镜电路，最终产生用于 Set、Reset 和 Read 的大小不同的驱动电流，且在第一级电流镜电路与第二级电流镜电路间加入控制开关 SWITCH1、SWITCH2 和 SWITCH3,这些控制开关的打开与关闭由驱动控制电路部分发出的脉冲信号进行控制，使加到相变单元上的脉冲信号具有一定脉宽与脉高，实现 Set、Reset 和 Read操作。进行写操作时，以 Reset 为例，需要施加一个短而强的电压或电流脉冲，电能转变成热能，使相变材料的温度升高到熔化温度以上，经快速冷却，可以使多晶的长程有序遭到破坏

7、，从而实现由多晶向非晶的转化，低阻变为高阻。首先通过解码电路输出的高电平将选通管 NT 打开，随后通过驱动控制电路将 SWITCH1 打开，而 SWITCH2 和 SWITCH3 此时则处于关闭状态，这样，由 PMOS 管 P0 和 P1 形成的电流镜，产生一定大小的并且一定倍数于基准电流 IOUT1 的电流 I1。同样的，由 NMOS 管 N1 和N4 形成的电流镜将 I1 再次镜像得到所需的 Reset 电流 I1，I1通过打开的传输门 TG 及打开的选通管NT 施加到相变单元中的相变材料上，从而使相变材料发生相变，SWTICH1 的时序决定了所施加的 ResetSet 时，需要施加一个长

8、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、熔化温度以下，并保持一定的时间（一般大于 50ns），使相变材料由非晶转化为多晶，高阻变为低阻。具体实施时，SWITCH1 和 SWITCH3 关闭，SWITCH2 打开，通过由 PMOS 管 P0、P2 和 NMOS 管N2、N5 形成的两级电流镜产生所需的 Set 电流 I2，施加到相变单元中的相变材料上，使相变材料发生由非晶态到晶态的转换，SWITCH2 的时序决定了所施加的 Set 电流脉冲宽度。要求是一个稍长的脉冲，比较典型的数值一般大于 100nm。Read 操作时，开关 SWITCH4 打开，传输门 TG 打开，电流镜

9、中 SWITCH1、SWITCH2 关闭，SWITCH3 打开，通过 PMOS 管 P0、P3 和 NMOS 管 N3、N6 形成的两级电流镜产生读电流 I3，施加到相变单元 GST 上，该读电流是足够小的，产生的热能保证相变材料的温度始终低于结晶温度，材料不发生相变。读出的实质是读出相变单元上的电压情况，由其电压看电阻情况。该电压由端口 SOUT 输出，与某一参考电压经过灵敏放大器被比较放大读出，晶态与非晶态时的读出电压是可以严格区分开的。图 10为读出放大电路示意图。图 11 为最终加到相变单元上的电流脉冲信号，具体脉宽可通过脉冲信号发生器进行调节。 考虑如图 12 所示的电流镜，该结构采用共源共栅的改进结构，可得到更精确的驱动电流，并且将选通管源端接地（不同于图 10 中的情况：选通管的衬偏效应限制了能流过相变单元的最大电流，故其尺寸需要设计的较大些），图 12 中选通管的衬偏效应得以消除，可仅用较小的选通管尺寸得到相同的效果，