CN101458959B

CN101458959B - 数据编程电路

Info

Publication number: CN101458959B
Application number: CN2007101997436A
Authority: CN
Inventors: 许世玄; 林烈萩; 江培嘉; 林文斌
Original assignee: Nanya Technology Corp
Current assignee: Nanya Technology Corp
Priority date: 2007-12-12
Filing date: 2007-12-12
Publication date: 2011-09-21
Anticipated expiration: 2027-12-12
Also published as: CN101458959A

Abstract

一种数据编程电路以及存储器编程方法。该数据编程电路，用以将写入数据储存至存储单元。一控制电路根据写入数据而产生控制信号。一电流产生电路根据控制信号而提供流经存储单元的写入电流以改变存储单元的结晶状态，其中写入电流具有对应于写入数据的脉冲宽度，且结晶状态对应于写入数据。

Description

数据编程电路

技术领域

本发明涉及一种数据编程电路，特别是涉及一种存储器的数据编程电路。

背景技术

相变存储器(Phase Change Memory，PCM)是一种具有高速、高容量密度以及低耗能的非易失性存储器，其中相变存储器中的相变存储单元是由相变材料所形成，例如硫系材料(Chalcogenide)等。在热应用的操作下，相变材料可在结晶(crystalline)状态以及非结晶(amorphous)状态之间切换，其中相变材料在结晶状态以及非结晶状态下具有不同的电阻值，其可分别表示不同的储存数据。

传统上，在非结晶状态下，相变存储单元具有较高的电阻值，其例如是用以表示储存在相变存储单元内的数据为二进制“0”。反之，在结晶状态下，相变存储单元具有较低的电阻值，其例如是用以表示储存在相变存储单元内的数据为二进制“1”。

然而，对具有多电平(multi-level)存储单元的相变存储器而言，每个存储单元至少储存两位的数据(例如：“00”、“01”、“10”或是“11”)。为了能分别表示储存在相变存储单元内的两位数据，多电平相变存储单元需要具有四种不同状态。因此，对相变存储单元而言，结晶状态的种类越多，所需要的编程方式就越复杂。

发明内容

本发明提供一种数据编程电路，用以将一写入数据储存至一存储单元，包括：一控制电路，用以根据所述写入数据产生一控制信号；以及一电流产生电路，用以根据所述控制信号提供流经所述存储单元的一写入电流以改变所述存储单元的一结晶状态，其中所述写入电流具有对应于所述写入数据的一脉冲宽度，且所述结晶状态对应于所述写入数据。

本发明还提供另一种数据编程电路，用以将一写入数据储存至一存储单元，包括：一控制电路，用以根据所述写入数据产生一第一电流；以及一电流产生电路，用以根据所述第一电流提供流经所述存储单元的一写入电流以改变所述存储单元的一结晶状态，其中所述写入电流具有对应于所述写入数据的一脉冲振幅，且所述结晶状态对应于所述写入数据。

此外，本发明提供一种存储器编程方法，适用于编程存储器的一存储单元，包括：接收一写入数据；根据所述写入数据提供对应于所述写入数据的一第一写入电流至所述存储单元，其中所述第一写入电流的一第一脉冲宽度、一第一脉冲振幅或其组合对应于所述写入数据；以及根据所述第一写入电流改变所述存储单元的一结晶状态，其中所述结晶状态对应于所述写入数据。

附图说明

图1是显示根据本发明一实施例所述的写入电流对多电平相变存储单元的电阻值的特性图；

图2是显示根据本发明一实施例所述的数据编程电路；

图3是显示图2中数据编程电路的信号波形图；

图4是显示根据本发明一实施例所述的输出电路；

图5是显示根据本发明另一实施例所述的数据编程电路；

图6是显示根据本发明另一实施例所述的数据编程电路；

图7是显示图6中数据编程电路的信号波形图；

图8A是显示根据本发明一实施例所述的存储器编程方法；

图8B是显示根据本发明另一实施例所述的存储器编程方法；

图9A是显示根据本发明另一实施例所述的存储器编程方法；

图9B是显示根据本发明另一实施例所述的存储器编程方法；

第10A、10B图是显示根据本发明另一实施例所述的数据编程电路；

图11是显示根据本发明另一实施例所述的存储器编程方法。

附图符号说明

200、500、600～数据编程电路

210、510、610～控制电路

220、520、620～电流产生电路

230、530、630～信号产生电路

240、540、640～电压产生电路

250、400～输出电路

260、450～选择电路

261～译码器

262-265～开关

270、410-440、550～比较器

280～电流镜电路

290～开关

522～电流源

542～可变电流源

650～压控电流源

660～调制电路

800、850、900、950～方法

S810-S840、S910-S940、S1100-S1300～步骤

Data～写入数据

EN～致能信号

I₀-I₅、I_c～电流

I_write～写入电流

M1-M9、524、544～晶体管

S_refer～参考信号

SW₀₀、SW₀₁、SW₁₀、SW₁₁～信号

V₀₀、V₀₁、V₁₀、V₁₁、V_Data～电压信号

V_c～控制信号

V_out、V_out1-V_out4～输出电压

V_ref～电压

具体实施方式

为使本发明的所述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并结合附图详细说明如下。

实施例：

图1是显示根据本发明一实施例所述的写入电流对多电平相变存储单元的电阻值的特性图。本发明所披露的编程(programming)方式可提供具有不同电流值的电流对相变存储单元进行加热以改变其电阻值，使得数据可被储存于相变存储器内。如图1所显示，当写入电流I_write的电流值分别为I₀₀、I₀₁、I₁₀以及I₁₁时，可将相变存储单元的电阻值改变成R₀₀、R₀₁、R₁₀ 以及R₁₁以分别储存两位数据“00”、“01”、“10”以及“11”至相变存储单元内。

图2是显示根据本发明一实施例所述的数据编程电路200。可经由写入电流I_write将两位的写入数据Data储存至相变存储单元内，其中数据编程电路200包括控制电路210以及电流产生电路220。控制电路210包括信号产生电路230、电压产生电路240以及输出电路250。信号产生电路230的功能大体上相似于波形产生器，可提供具有既定周期的方波或是三角波的参考信号Srefer。在电压产生电路240中，经由调整晶体管M5与晶体管M6、M7、M8和M9的尺寸的比例，可分别得到固定的电流I₀、I₁、I₂和I₃，其中电流I₀＜电流I₁＜电流I₂＜电流I₃。在本发明一实施例中，电压产生电路240可分别使用四个电流源来产生电流I₀、I₁、I₂和I₃。参考信号S_refer耦接于晶体管M1、M2、M3和M4的栅极，用以控制各晶体管的导通状态而分别产生电压信号V₀₀、V₀₁、V₁₀和V₁₁。当晶体管M1、M2、M3和M4导通时，由于分别流经所述晶体管的电流I₀、I₁、I₂和I₃具有不同的电流值，电压信号V₀₀、V₀₁、V₁₀和V₁₁亦具有不同的振幅。此外，电流I₀、I₁、I₂和I₃亦会分别影响电压信号V₀₀、V₀₁、V₁₀和V₁₁的上升以及下降时间。电压信号V₀₀、V₀₁、V₁₀和V₁₁分别对应于不同内容(即“00”、“01”、“10”和“11”)的写入数据Data，例如电压信号V₀₁对应于内容为“01”的写入数据Data。

输出电路250包括选择电路260以及比较器270，其中选择电路260包括译码器261以及四个开关262、263、264和265。在选择电路260中，译码器261可根据致能信号EN将写入数据Data译码成四个信号SW₀₀、SW₀₁、SW₁₀和SW₁₁，其中信号SW₀₀、SW₀₁、SW₁₀和SW₁₁分别耦接至开关262、263、264和265。选择电路260可根据写入数据Data而选择电压信号V₀₀、V₀₁、V₁₀和V₁₁的一个以作为输出电压V_out。举例来说，当写入数据Data为“10”时，信号SW₁₀会控制开关264导通，使得电压信号V₁₀被传送至选择电路260的输出端以作为输出电压V_out。接着，比较器270可比较输出电压V_out以及电压V_ref以产生控制信号V_c。因此，输出电路250可根据写入数据Data以及电压信号V₀₀、V₀₁、V₁₀和V₁₁而产生控制信号V_c。

电流产生电路220包括电流镜电路280以及开关290。电流镜电路280接收固定的电流I₄以产生电流I₅，其中电流I4以及电流I5的比例是由电流镜电路280内晶体管的尺寸所决定。开关290耦接于电流镜电路280以及相变存储单元(未显示)之间，其中开关290可根据控制信号V_c而切换导通状态以提供具有不同脉冲宽度的写入电流I_write至相变存储单元以改变相变存储单元的结晶状态。除了相变存储器之外，本发明亦可适用于其它类型的存储器。

图3是显示图2中数据编程电路200的信号波形图。如写入数据Data所显示，数据“00”、“01”、“10”以及“11”依序被编程至相变存储单元内。接着，电压信号V₀₀、V₀₁、V₁₀和V₁₁依序被传送至选择电路260的输出端以作为输出电压V_out。经由比较器270，具有不同振幅以及上升下降时间的输出电压V_out可产生具有不同脉冲宽度的控制信号V_c。在一实施例中，开关290可为P型金属氧化物半导体晶体管。因此，当控制信号V_c为低电平时，开关290可被导通以将电流I5传送至存储单元以作为写入电流I_write，其中不同脉冲宽度的控制信号Vc会产生具有不同脉冲宽度的写入电流I_write。在图3中，由于宽度W₀＜宽度W₁＜宽度W₂＜宽度W₃，编程数据“11”所需要的写入电流I_write具有最大的脉冲宽度。此外，对分别具有单一脉冲宽度W₀、W₁、W₂和W₃的写入电流I_write而言，其平均电流值大体上分别等于图1所显示的电流值I₀₀、I₀₁、I₁₀以及I₁₁。

图4是显示根据本发明一实施例所述的输出电路400。输出电路400包括四个比较器410、420、430和440以及选择电路450。比较器410、420、430和440可分别比较电压V_ref以及电压信号V₀₀、V₀₁、V₁₀和V₁₁而产生输出信号V_out1、V_out2、V_out3和V_out4。接着，选择电路450接收所述四个输出信号，并根据写入数据Data而选择输出信号V_out1、V_out2、V_out3和V_out4的一个以作为控制信号V_c。在一实施例中，选择电路450可以是多任务器。

图5是显示根据本发明另一实施例所述的数据编程电路500。数据编程电路500包括控制电路510以及电流产生电路520。控制电路510包括信号产生电路530、电压产生电路540以及比较器550。相较于图2中的电压产生电路240，电压产生电路540包括可变电流源542以及晶体管544。可变电流源542可根据写入数据Data提供对应于写入数据Data的电流，例如图2所显示的电流I₀、I₁、I₂和I₃。此外，晶体管544耦接于可变电流源542以及接地端VSS之间，其中晶体管544可根据对应于写入数据Data的电流以及参考信号S_refer而产生电压信号V_Data。接着，比较器550可比较电压V_ref 以及电压信号V_Data而产生控制信号V_c。相较于图2中的电流产生电路220，电流产生电路520包括电流源522以及晶体管524，其中电流源522的功能大体上相似于图2所显示的电流镜电路280。

在一实施例中，控制电路可以只使用逻辑电路以简化设计，其中逻辑电路可根据写入数据Data产生具有不同脉冲宽度的控制信号V_c。

图6是显示根据本发明另一实施例所述的数据编程电路600。数据编程电路600可包括控制电路610以及电流产生电路620，其中电流产生电路620包括电流镜电路。控制电路610包括信号产生电路630、电压产生电路640以及压控电流源(voltage controlled current source，VCSS)650。压控电流源650可根据电压信号V_Data而产生电流I_c，其中电流I_c具有对应于写入数据Data的脉冲振幅。电流产生电路620可根据电流I_c提供写入电流I_write 至存储单元以改变相变存储单元的结晶状态，其中电流I_c以及写入电流I_write 的比例是由电流镜电路内晶体管尺寸的比例而决定。在一实施例中，数据编程电路亦可使用如图2所显示的电压产生电路240以及选择电路260来提供输出电压V_out给压控电流源650。接着，压控电流源650可根据输出电压V_out产生对应于写入数据Data的电流I_c至电流产生电路620。

图7是显示图6中数据编程电路600的信号波形图。如写入数据Data所显示，数据“00”、“01”、“10”以及“11”依序被编程至相变存储单元内。接着，电压产生电路可根据写入数据Data依序产生具有不同振幅的电压信号V_Data。压控电流源650接收电压信号V_Data，并根据电压信号V_Data产生电流I_c。电流I_c具有不同的脉冲振幅，其中振幅h₀＜振幅h₁＜振幅h₂＜振幅h₃。电流产生电路620根据电流I_c提供具有不同振幅的写入电流I_write，其中假设电流I_c以及写入电流I_write的比例为N。在图7中，编程数据“00”所需要的写入电流I_write具有最小的脉冲振幅H₀(即H₀＝N×h₀)。此外，对分别具有脉冲振幅H₀、H₁、H₂和H₃的写入电流I_write而言，其平均电流值大体上分别等于图1所显示的电流值I₀₀、I₀₁、I₁₀以及I₁₁。

图8A是显示根据本发明一实施例所述的存储器编程方法800。首先，在步骤S810中，由数据编程电路接收写入数据Data。接着，在步骤S830中，数据编程电路可根据写入数据Data提供具有对应于写入数据Data的脉冲宽度的写入电流I_write至相变存储单元。最后，在步骤S840中，存储单元可根据写入电流I_write改变存储单元内相变材料的结晶状态以将写入数据Data储存至相变存储单元内，其中结晶状态对应于写入数据Data。图8B是显示根据本发明另一实施例所述的存储器编程方法850。相较于图8A所显示的编程方法800，编程方法850是在步骤S810以及步骤S830之间，额外增加步骤S820。在步骤S820中，可提供具有特定脉冲宽度的写入电流I_write 至相变存储单元，以将存储单元的结晶状态重置为一既定结晶状态。在一实施例中，无论写入数据Data的内容为“00”、“01”、“10”或是“11”，可先提供具有对应于写入数据Data为“11”的脉冲宽度的写入电流I_write至相变存储单元以重置存储单元。举例来说，当编程内容为“01”的写入数据Data至相变存储单元时，先提供脉冲宽度W₃(如图3所显示，即对应于写入数据Data为“11”的脉冲宽度)的写入电流I_write至相变存储单元以重置存储单元的结晶状态。之后，提供脉冲宽度W₁(如图3所显示，即对应于写入数据Data为“01”的脉冲宽度)的写入电流I_write至相变存储单元以将数据“01”储存至存储单元内。

图9A是显示根据本发明另一实施例所述的存储器编程方法900。首先，在步骤S910中，由数据编程电路接收写入数据Data。接着，在步骤S930中，数据编程电路可根据写入数据Data提供具有对应于写入数据Data的脉冲振幅的写入电流I_write至相变存储单元。最后，在步骤S940中，存储单元可根据写入电流I_write改变存储单元内相变材料的结晶状态以将写入数据Data储存至相变存储单元内，其中结晶状态对应于写入数据Data。图9B是显示根据本发明另一实施例所述的存储器编程方法950。相较于图9A所显示的编程方法900，编程方法950是在步骤S910以及步骤S930之间，额外增加步骤S920。在步骤S920中，可提供具有特定脉冲振幅的写入电流I_write 至相变存储单元，以将存储单元的结晶状态重置为一既定结晶状态。在一实施例中，无论写入数据Data的内容为“00”、“01”、“10”或是“11”，可先提供具有对应于写入数据Data为“11”的脉冲振幅的写入电流I_write至相变存储单元以重置存储单元。举例来说，当编程内容为“00”的写入数据Data至相变存储单元时，先提供具有对应于写入数据Data为“11”的脉冲振幅的写入电流I_write至相变存储单元以重置存储单元的结晶状态。之后，提供具有对应于写入数据Data为“00”的脉冲振幅的写入电流I_write至相变存储单元以将数据“00”储存至存储单元内。

图10A、10B是显示根据本发明另一实施例所述的数据编程电路。在图10A中，数据编程电路600可根据电流Ic提供写入电流I_write，其中写入电流I_write具有对应于写入数据Data的脉冲振幅。接着，在图10B中，调制电路660接收写入电流I_write并产生写入电流I_write’，其中写入电流I_write’具有对应于写入数据Data的脉冲宽度。在此实施例中，调制电路660包括控制电路210以及开关290(如图2所显示)，其中控制电路210可根据写入数据Data而产生控制信号V_c。接着，开关290可根据控制信号V_c而切换导通状态以提供具有不同脉冲宽度以及不同脉冲振幅的写入电流I_write’至相变存储单元以改变相变存储单元的结晶状态，其中写入电流I_write’具有对应于写入数据Data的脉冲宽度以及脉冲振幅。在另一实施例中，由图2中电流产生电路220所产生的写入电流I_write亦可经由调制电路(未显示，其功能相似于数据编程电路600)来产生具有对应于写入数据Data的脉冲宽度以及脉冲振幅的写入电流I_write’至相变存储单元以改变相变存储单元的结晶状态。

图11是显示根据本发明另一实施例所述的存储器编程方法。首先，在步骤S1100中，由数据编程电路接收写入数据Data。接着，在步骤S1200中，数据编程电路可根据写入数据Data提供具有对应于写入数据Data的脉冲振幅以及脉冲宽度的写入电流I_write’至相变存储单元。最后，在步骤S1300中，存储单元可根据写入电流I_write’改变存储单元内相变材料的结晶状态以将写入数据Data储存至相变存储单元内，其中结晶状态对应于写入数据Data。

本发明虽以较佳实施例披露如上，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可做若干的更动与润饰，因此本发明的保护范围以本发明的权利要求为准。

Claims

1.一种数据编程电路，用以将一写入数据储存至一存储单元，包括：

一控制电路，用以根据所述写入数据产生一控制信号；以及

一电流产生电路，用以根据所述控制信号提供流经所述存储单元的一写入电流以改变所述存储单元的一结晶状态，其中所述写入电流具有对应于所述写入数据的一脉冲宽度，且所述结晶状态对应于所述写入数据，

其中所述控制电路包括：

一信号产生电路，用以提供具有一既定波形的一参考信号；

一电压产生电路，用以根据所述参考信号产生复数不同的电压信号，其中所述电压信号分别对应于不同内容的所述写入数据；以及

一输出电路，用以根据所述写入数据以及所述多个电压信号而产生所述控制信号。

2.如权利要求1所述的数据编程电路，其中所述电流产生电路包括：

一电流源；以及

一开关，耦接于所述电流源以及所述存储单元之间，具有一控制端以接收所述控制信号，其中所述开关根据所述控制信号而切换导通状态以提供所述写入电流。

3.如权利要求1所述的数据编程电路，其中所述输出电路包括：

一选择电路，用以根据所述写入数据而选择所述多个电压信号的一个以作为一输出电压；以及

一比较器，用以比较一既定电压以及所述输出电压以产生所述控制信号。

4.如权利要求1所述的数据编程电路，其中所述输出电路包括：

多个比较器，分别耦接于一既定电压以及所述电压信号，用以比较所述既定电压以及所述电压信号而分别产生一输出信号；以及

一选择电路，用以接收所述输出信号，并根据所述写入数据而选择所述复数输出信号的一个以作为所述控制信号。

5.如权利要求1所述的数据编程电路，其中所述既定波形是方波以及三角波的一个。

6.一种数据编程电路，用以将一写入数据储存至一存储单元，包括：

一控制电路，用以根据所述写入数据产生一控制信号；以及

其中所述控制电路包括：

一信号产生电路，用以提供具有一既定波形的一参考信号；

一电压产生电路，用以根据所述参考信号以及所述写入数据而产生一电压信号；以及

一比较器，用以比较一既定电压以及所述电压信号而产生所述控制信号，

并且其中所述电压产生电路包括：

一可变电流源，用以根据所述写入数据提供对应于所述写入数据的一第一电流；

一晶体管，耦接于所述可变电流源以及一接地端之间，具有一栅极以接收所述参考信号，其中所述晶体管根据所述第一电流以及所述参考信号而产生所述电压信号。

7.如权利要求6所述的数据编程电路，其中所述既定波形是方波以及三角波的一个。

8.如权利要求6所述的数据编程电路，其中所述控制电路包括一逻辑电路，用以根据所述写入数据产生具有所述脉冲宽度的所述控制信号。

9.如权利要求6所述的数据编程电路，其中该存储单元为一相变存储单元。

10.如权利要求6所述的数据编程电路，还包括一调制电路，用以调制所述写入电流使所述写入电流具有对应于所述写入数据的一脉冲振幅。

11.一种数据编程电路，用以将一写入数据储存至一存储单元，包括：

一控制电路，用以根据所述写入数据产生一第一电流；以及

一电流产生电路，用以根据所述第一电流提供流经所述存储单元的一写入电流以改变所述存储单元的一结晶状态，其中所述写入电流具有对应于所述写入数据的一脉冲振幅，且所述结晶状态系对应于所述写入数据，

其中所述控制电路包括：

一信号产生电路，用以提供具有一既定波形的一参考信号；

一电压产生电路，用以根据所述参考信号产生多个不同的电压信号，其中所述电压信号分别对应于不同内容的所述写入数据；以及

一压控电流源，用以根据所述写入数据以及对应于所述写入数据的所述电压信号而产生所述第一电流，其中所述第一电流具有所述脉冲振幅。

12.如权利要求11所述的数据编程电路，其中所述电流产生电路包括一电流镜电路，用以接收所述第一电流而提供所述写入电流，其中所述第一电流以及所述写入电流的比例是由所述电流镜电路所决定。

13.如权利要求11所述的数据编程电路，其中所述既定波形是方波以及三角波的一个。

14.一种数据编程电路，用以将一写入数据储存至一存储单元，包括：

一控制电路，用以根据所述写入数据产生一第一电流；以及

其中所述控制电路包括：

一信号产生电路，用以提供具有一既定波形的一参考信号；

一压控电流源，用以根据所述电压信号而产生所述第一电流，其中所述第一电流具有所述脉冲振幅，

并且其中所述电压产生电路包括：

一可变电流源，用以根据所述写入数据提供对应于所述写入数据的一第二电流；

一晶体管，耦接于所述可变电流源以及一接地端之间，具有一栅极以接收所述参考信号，其中所述晶体管系根据所述第二电流以及所述参考信号而产生所述电压信号。

15.如权利要求14所述的数据编程电路，其中所述既定波形是方波以及三角波的一个。

16.如权利要求14所述的数据编程电路，其中该存储单元为一相变存储单元。

17.如权利要求14所述的数据编程电路，还包括一调制电路，用以调制所述写入电流使所述写入电流具有对应于所述写入数据的一脉冲宽度。