专利名称：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 Change Memory, 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T。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'O'。
为了增大存储器容量，现今存储器通常包括多个存储器组(memory banks)。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IOK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。
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g模 式。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。
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3为应用本发明的相变存储器的示意图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广写入电流；
1『反相器；
Mp M2 晶体管；
PCM 相变存储单元；
PCMref、 PCMrefl-4 ~参考用相变存储单元；Rb 基准电阻； Vbia广偏压源；以及
sw,-第一切换器。
具体实施例方式
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PCMref、
一基准电阻Rb、 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Is。
该参考用相变存储单元PCMref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Rb 的电阻值为该参考用相变存储单元PCMref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Is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Is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Is至该参考用相变存储单元PCMref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Rb，并
且该第二切换器耦接该写入电流Is至该参考用相变存储单元PCMref。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Is的一理想导通区间。在理想状态下，将该写入电流Is输入该参
考用相变存储单元PCMref—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 PCMref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PCMref,并且该第二切换器耦接该写入电流Is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PCMref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PCMrefl~ PCMref4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PCMrefl ~ PCMref4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 SW!，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S所耦接的电阻 (Rb或PCM^)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SW,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M,以及一偏压源Vbias。该晶体管Mt串接该第一切换器SW!所耦接^电
阻(Rb或PCMref)。该偏压源Vbias耦接该晶体管M!的栅极，以提供上述第一切换器SW!所耦接的电阻一压降。流经该第一切换器SWt所耦接的电阻(Rb
或PCM^)的电流值即上述驱动电流I。如图所示，该第一切换器SWi所耦接 的电阻(Rb或PCM^)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Rd、 一偏压源Vt^、以及一晶体管M2实现振荡器驱动电流
产生器。该分压电阻Rd串接该第一切换器SW!所耦接的电阻(Rb或PCMref)。 该偏压源Vb^提供压降供该第 一切换器所耦接的电阻(Rb或PCMref)与该分压 电阻Rd使用。该晶体管M2由该偏压源V^在该分压电阻Rd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sw,所耦
接的电阻(Rb或PCM^)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
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。
权利要求
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。
2. 如权利要求1所述的相变存储单元控制装置，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。
3. 如权利要求2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。
4. 如权利要求2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。
5. —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。
全文摘要
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。
文档编号G11C11/56GK101414480SQ200710162589
公开日2009年4月22日 申请日期2007年10月19日 优先权日2007年10月19日
发明者林文斌, 林烈萩, 江培嘉, 许世玄 申请人:财团法人工业技术研究院;力晶半导体股份有限公司;南亚科技股份有限公司;茂德科技股份有限公司;华邦电子股份有限公司