TWI412124B - 相變化記憶體 - Google Patents

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Wen Pin Lin
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Description

相變化記憶體
本發明係有關於一種相變化記憶體(Phase Change Memory，PCM)。
相變化物質(Phase Change Material)包括兩種相態：一為晶相(crystalline)、另一為非晶相(amorphous)。新興記憶體－相變化記憶體(PCM)－使用相變化物質作為儲存單元(以下稱相變化儲存單元)，以其晶相狀態代表位元值’0’、非晶相狀態代表位元值’1’。
相變化儲存單元之相態切換與流經其中的一作用電流有關。以下以表格比較轉換相變化儲存單元至晶相或非晶相所需之作用電流：
其中，又以晶相轉換之作用電流最難以設計。不適當的作用電流將使得相變化儲存單元不完全結晶，無法完整轉化成晶相。
本發明揭露一種相變化記憶體，其中包括：一相變化儲存單元、一電流調節電晶體、以及一控制電路。電流調節電晶體具有一第一端耦接一電壓源、一第二端耦接該相 變化儲存單元、以及一控制端接收控制電路所輸出的一控制信號。控制電路將以該控制信號操作該電流調節電晶體於一線性區間。
為讓本發明之上述和其他特徵能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明。
第1A圖圖解本發明相變化記憶體的一種實施方式。相變化記憶體100包括一相變化儲存單元102，其不同相態(如：晶相、非晶相)將用來儲存不同資料。開關104可由此相變化記憶體的一字元線信號(word line)106控制，於導通時允許一作用電流Iw 流經相變化儲存單元102進行讀寫動作。作用電流Iw 由一電流供應電路108以及一電流調節電晶體110決定。電流供應電路108可有多種型式。第1A圖所示之電流供應電路108乃根據一參考電流Iref 動作。電流供應電路108耦接於一電壓源VDD 與電流調節電晶體110之間，用以提供電流路徑自電壓源VDD 至電流調節電晶體110。第1A圖所示之實施方式以P型金氧半電晶體(PMOS)實現電流調節電晶體110，其源極、汲極以及閘極分別為電流調節電晶體110之第一端、第二端以及控制端。如圖所示，電流調節電晶體110(PMOS)之第一端(源極)經電流供應電路108耦接電壓源VDD 、第二端(汲極)耦接相變化儲存單元102、控制端(閘極)由一控制電路112所輸出的控制信號Vc 控制。控制電路112之設計將令電流調節電晶體110操作在線性區間(linear region)而非飽和區間(saturation region)。隨著控制信號Vc 漸進下降，作用電流 Iw 將漸進上升；隨著控制信號Vc 漸進上升，作用電流Iw 將漸進下降。
以相變化儲存單元102之晶相轉換為例，漸進上升之作用電流Iw 令相變化儲存單元102易於轉換至晶相，有效限制作用電流Iw 之振幅；漸進下降之作用電流Iw 令相變化儲存單元102得以完整結晶，成功轉換至晶相。
第1B圖圖解上述電流供應電路的另一種實施方式。與第1A圖之電流供應電路108相較，第1B圖之電流供應電路108更包括一電晶體120。電流供應電路不限定於第1A與1B圖所示之結構，更可由其他可提供電流的電路實現。
第2A圖為本發明相變化記憶體的一種實施方式，其中控制電路112包括一電容C、以及一充放電電路202。電容C耦接電流調節電晶體110之上述控制端，以其中儲存電位作為控制信號Vc 使用。充放電電路202負責充放電該電容C，令控制信號Vc 在一第一特定電位VN 與電壓源VDD 間變動，使電流調節電晶體110操作在線性區間：隨著控制信號Vc 漸進下降，作用電流Iw 將漸進上升；隨著控制信號Vc 漸進上升，作用電流Iw 將漸進下降。在第2A圖所示之實施方式中，第一特定電位VN 高於一地線電位(GND)。
此段詳述第2A圖之充放電電路202，其中包括一充電電流鏡204、一放電電流鏡206以及一充放電切換開關208。充電電流鏡204具有一電源端耦接電壓源VDD 、一參考電流端供一充電參考電流Irc 流通、以及一負載端輸出一充電電流Ic 。放電電流鏡206具有一電源端偏壓於第一特定電位VN 、一參考電流端接收一放電參考電流Ird 、以及一負載端提供一放電電流Id 。偏壓電位Vin 將設定充電參考電 流Irc 與放電參考電流Ird 之值，進而設定充電電流Ic 與放電電流Id 。充放電切換開關208由一切換信號WE控制，以耦接電容C至充電電流鏡204或放電電流鏡206。
第2B圖以波形圖圖解切換信號WE、控制信號Vc 與作用電流Iw 之間的關係。時序t1 ，切換信號WE切換至高準位，充放電切換開關208耦接電容C至放電電流鏡206，放電電流Id 放電電容C，控制信號Vc 下降。時序t2 ，切換信號WE切換至低準位，充放電切換開關208改耦接電容C至充電電流鏡204，充電電流Ic 充電電容C，控制信號Vc 上升。由於充電電流鏡204與放電電流鏡206之電源端分別由電壓源VDD 與第一特定電位VN 偏壓，故控制信號Vc 被限制在電壓源VDD 與第一特定電位VN 之間，將令電流調節電晶體110操作在線性區間。根據PMOS特性，控制信號Vc 下降則作用電流Iw 上升；控制信號Vc 上升則作用電流Iw 下降；因此得第2B圖之作用電流Iw 之漸進上升、漸進下降波形。
第3A圖圖解本發明相變化記憶體的另一種實施方式。與第2A圖之充放電電路202相較，第3A圖之充放電電路302更包括一第一數位類比轉換器304、以及一第二數位類比轉換器306。第一與第二數位類比轉換器304與306由偏壓電路308根據偏壓電位Vin 偏壓。第一組數位信號(D1 ，D2 ，D3 ，D4 )將決定第一數位類比轉換器304所輸出之充電參考電流Irc 之大小，進而影響充電電流Ic ，可用於設定控制信號Vc 之上升速度。第二組數位信號(D1 ’，D2 ’，D3 ’，D4 ’)將決定第二數位類比轉換器306所輸出之放電參考電流Ird 的大小，進而影響放電電流Id ，可用於設定 控制信號Vc 之下降速度。
第3B圖以波形圖圖解切換信號WE、控制信號Vc 與作用電流Iw 之間的關係。參閱時序t1 處，第二組數位信號(D1 ’，D2 ’，D3 ’，D4 ’)提供多種速度調降控制信號Vc ，作用電流Iw 因而可有多種上升速度。參閱時序t2 處，第一組數位信號(D1 ，D2 ，D3 ，D4 )提供多種速度調升控制信號Vc ，作用電流Iw 因而可有多種下降速度。
上述第一與第二數位類比轉換器304與306可不同時存在。某些相變化記憶體實施方式僅具有第一數位類比轉換器304，故作用電流Iw 僅上升速度可調。某些相變化記憶體實施方式僅僅具有第二數位類比轉換器306，故作用電流Iw 僅下降速度可調。
此外，作用電流Iw 之不同上升、或下降速度可用來實現多位元(multi－level)相變化儲存單元－即單一個相變化儲存單元對應複數個儲存位元。
本發明更揭露其他實施方式，其中以N型金氧半(NMOS)電晶體取代PMOS電晶體實現上述電流調節電晶體110。
第4圖為本發明相變化記憶體的另一種實施方式，其中電流調節電晶體110包括一NMOS電晶體。第4圖所示之實施方式令充電電流鏡204之電源端耦接一第二特定電位VP (低於電壓源VDD 電位)、且放電電路206之電源端接地，以操作電流調節電晶體110所使用之NMOS電晶體於線性區間。
第5圖為本發明相變化記憶體的另一種實施方式，其中電流調節電晶體110包括一NMOS電晶體。第5圖所示 之實施方式令充電電流鏡204之電源端耦接一第二特定電位VP (低於電壓源VDD 電位)、且放電電路206之電源端接地，以操作電流調節電晶體110所使用之NMOS電晶體於線性區間。
此外，本說明書更揭露本發明的其他變形。參閱本案各圖，控制電路112所使用之電容C非必要元件。在控制電路112不存在電容C的實施方式中，充放電電路(202或302)將對電流調節電晶體110之控制端的寄生電容進行充放電，藉以調整電流調節電晶體110之控制端電壓，操作電流調節電晶體110於線性區間。
在電流調節電晶體110為P型金氧半電晶體的實施方式中，充放電電路(202或302)將對該P型金氧半電晶體的閘極寄生電容充放電。
在電流調節電晶體110為N型金氧半電晶體的實施方式中，充放電電路(202或302)將對該N型金氧半電晶體的閘極寄生電容充放電。
上述各實施例並非用來限定本發明之範圍。任何所屬技術領域中具有通常知識對本發明內容所作的更動或潤飾，皆屬本說明書所欲保護之範圍。本發明之專利保護範圍當以後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧相變化記憶體
102‧‧‧相變化儲存單元
104‧‧‧開關
106‧‧‧字元線信號
108‧‧‧電流供應電路
110‧‧‧電流調節電晶體
112‧‧‧控制電路
202‧‧‧充放電電路
204‧‧‧充電電流鏡
206‧‧‧放電電流鏡
208‧‧‧充放電切換開關
302‧‧‧充放電電路
304、306‧‧‧第一、第二數位類比轉換器
308‧‧‧偏壓電路
C‧‧‧電容
D1 ，D2 ，D3 ，D4 ‧‧‧第一組數位信號
D1 ’，D2 ’，D3 ’，D4 ’‧‧‧第二組數位信號
Ic ‧‧‧充電電流
Id ‧‧‧放電電流
Iref ‧‧‧參考電流
Irc ‧‧‧充電參考電流
Ird ‧‧‧放電參考電流
Iw ‧‧‧作用電流
t1 、t2 ‧‧‧時序
VC ‧‧‧控制信號
VDD ‧‧‧電壓源
Vin ‧‧‧偏壓電位
VN ‧‧‧第一特定電位
VP ‧‧‧第二特定電位 以及
WE‧‧‧切換信號
第1A圖圖解本發明相變化記憶體的一種實施方式；第1B圖圖解本發明相變化記憶體的另一種實施方式；第2A圖圖解本發明相變化記憶體的另一種實施方式；第2B圖以波形圖圖解切換信號WE、控制信號Vc 與作用電流Iw 之間的關係；第3A圖圖解本發明相變化記憶體的另一種實施方式；以及第3B圖以波形圖圖解切換信號WE、控制信號Vc 與作用電流Iw 之間的關係；第4圖圖解本發明相變化記憶體的另一種實施方式；以及第5圖圖解本發明相變化記憶體的另一種實施方式。
102‧‧‧相變化儲存單元
104‧‧‧開關
106‧‧‧字元線信號
108‧‧‧電流供應電路
110‧‧‧電流調節電晶體
112‧‧‧控制電路
202‧‧‧充放電電路
204‧‧‧充電電流鏡
206‧‧‧放電電流鏡
208‧‧‧充放電切換開關
C‧‧‧電容
Ic ‧‧‧充電電流
Id ‧‧‧放電電流
Irc ‧‧‧充電參考電流
Ird ‧‧‧放電參考電流
Iw ‧‧‧作用電流
VC ‧‧‧控制信號
VDD ‧‧‧電壓源
Vin ‧‧‧偏壓電位
VN ‧‧‧第一特定電位 以及
WE‧‧‧切換信號

Claims (10)

  1. 一種相變化記憶體，包括：一相變化儲存單元；一P型金氧半電晶體，配置以調節傳送至該相變化儲存單元並響應一控制信號之一電流；以及一控制電路，配置以藉由充放電一電容於一特定電位與一電壓源之間以產生該控制信號，其中該電壓源提供至該P型金氧半電晶體之一源極端，藉以操作該P型金氧半電晶體於一線性區間；其中，該特定電位高於一地線電位。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之相變化記憶體，其中該電容包括耦接該P型金氧半電晶體之一控制端之一第一端；以及其中該控制電路包括一充放電電路，配置以充放電該電容，令該控制信號在該特定電位與該電壓源之電位間變動。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之相變化記憶體，其中該充放電電路包括：一充電電流鏡，配置以產生一充電電流以充電該電容；一放電電流鏡，配置以產生一放電電流以放電該電容；以及一充放電切換開關，配置以耦接該電容至該充電電流鏡或該放電電流鏡。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之相變化記憶體，其中該充放電電路更包括：一第一數位類比轉換器，配置以輸出響應第一組數位信號之一 充電參考電流；其中該充電電流鏡係配置以輸出響應該充電參考電流之該充電電流。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之相變化記憶體，其中該充放電電路更包括：一第二數位類比轉換器，配置以輸出響應第二組數位信號之一放電參考電流；其中該放電電流鏡係配置以輸出響應該放電參考電流之該放電電流。
  6. 一種相變化記憶體，包括：一相變化儲存單元；一N型金氧半電晶體，配置以調節傳送至該相變化儲存單元並響應一控制信號之一電流；以及一控制電路，配置以藉由充放電一電容於一地線電位與一特定電位之間以產生該控制信號，藉以操作該N型金氧半電晶體於一線性區間；其中，該特定電位低於耦接該N型金氧半電晶體之一源極端之一電壓源。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之相變化記憶體，其中：該電容包括耦接該N型金氧半電晶體之一控制端之一第一端；以及該控制電路包括一充放電電路，配置以充放電該電容，令該控制信號在該地線電位與該特定電位間變動。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之相變化記憶體，其中該充放電電路包括：一充電電流鏡，配置以產生一充電電流以充電該電容；一放電電流鏡，配置以產生一放電電流以放電該電容；以及一充放電切換開關，配置以耦接該電容至該充電電流鏡或該放電電流鏡。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之相變化記憶體，其中該充放電電路更包括：一第一數位類比轉換器，配置以輸出響應第一組數位信號之一充電參考電流；其中該充電電流鏡係配置以輸出響應該充電參考電流之該充電電流。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之相變化記憶體，其中該充放電電路更包括：一第二數位類比轉換器，配置以輸出響應第二組數位信號之一放電參考電流；其中該放電電流鏡係配置以輸出響應該放電參考電流之該放電電流。
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