引言

相變存儲器（PC2RAM）是一種新型半導(dǎo)體存儲器，在研發(fā)下一代高性能不揮發(fā)存儲技術(shù)的激烈競爭中，PC2RAM在讀寫速度、讀寫次數(shù)、數(shù)據(jù)保持時間、單元面積、功耗等方面的諸多優(yōu)勢顯示了極大的競爭力，得到了較快的發(fā)展。相變存儲器是利用加工到納米尺寸的相變材料在晶態(tài)與非晶態(tài)時不同的電阻狀態(tài)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲。讀、寫操作是通過施加電壓或電流脈沖信號在相變存儲單元上進行的。相變存儲單元對驅(qū)動電路產(chǎn)生的驅(qū)動電壓或電流十分敏感，因此，設(shè)計一個性能優(yōu)良的驅(qū)動電路成為實現(xiàn)芯片功能的關(guān)鍵。本文介紹了一種新型的、結(jié)構(gòu)簡單的相變存儲器驅(qū)動電路設(shè)計，該電路采用電流驅(qū)動方式，主要包括基準(zhǔn)電壓電路、偏置電流電路、電流鏡電路及控制電路。

1 電路設(shè)計與分析

1.1 相變存儲器芯片

圖1為相變存儲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖，主要包括相變存儲單元陣列（1r1tarray）、地址解碼器（rowdec和columndec）、讀寫驅(qū)動電路（drv8）、驅(qū)動控制電路（drvcon）和讀出放大電路（sa8）。

相變存儲單元陣列包括字線、位線和處在字線與位線的交叉區(qū)的相變存儲單元，每一個存儲單元包括一條字線、一個選通管及一個相變電阻，并且每一個相變電阻均可在非晶態(tài)與晶態(tài)之間進行編程；地址解碼器解碼輸入行地址，以選擇每個存儲單元的字線，位選擇電路根據(jù)輸入的列地址，選擇一條位線；驅(qū)動電路生成將所選存儲單元編程為非晶態(tài)或晶態(tài)的寫電流，以及讀出被編程后的存儲單元狀態(tài)的讀電流；驅(qū)動控制電路由控制邏輯與脈沖信號發(fā)生器組成，用于產(chǎn)生一定脈沖寬度的讀/寫脈沖，其中，寫過程包括寫“0”、寫“1”兩種情況（Set和Reset），對應(yīng)相變單元在晶態(tài)（低阻）及非晶態(tài)（高阻）之間的轉(zhuǎn)換。

1.2 驅(qū)動電路

本文所設(shè)計的相變存儲器驅(qū)動電路主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。首先，由帶隙基準(zhǔn)電壓電路bgn生成高精度的基準(zhǔn)電壓Vref，接著，該基準(zhǔn)電壓通過一級偏置電流產(chǎn)生電路偏置產(chǎn)生高精度的偏置電流Ibias，偏置電流輸出給后級用于最終驅(qū)動的電路drv。drv由兩級電流鏡電路組成，每一級有三個電流鏡結(jié)構(gòu)，可分別用于產(chǎn)生大小不同的Read、Set、Reset電流，drvcon用于控制產(chǎn)生所需的電流脈沖。

1.2.1 基準(zhǔn)電壓

基準(zhǔn)電壓電路如圖3所示，主要由控制電路、核心電路、提高電源抑制比（PSRR）電路及啟動電路組成。該電路最終可產(chǎn)生高精度的基準(zhǔn)電壓輸出，在溫度為-10～120℃時，具有613×10-6/℃的溫度系數(shù)，在電源電壓為310～316V變化時基準(zhǔn)輸出隨電源電壓變化僅為010101%/V，PSRR為69dB。

各種工藝偏差均較小，相對TT模型的最大偏差為01002311，是一種低溫度系數(shù)，高電源抑制比的帶隙基準(zhǔn)電壓源。圖4和圖5分別給出該帶隙基準(zhǔn)電壓的溫度特性曲線及電源抑制特性曲線。

1.2.2 偏置電流

偏置電流產(chǎn)生電路如圖6所示，其實現(xiàn)方法主要是通過差分運放的負(fù)反饋及電流鏡的映射實現(xiàn)，通過前級電壓輸出給AMP一端，經(jīng)負(fù)反饋電路得到AMP另一端輸出電壓等于Vref，該電壓加在高精度電阻R上，得到一高精度的電流，經(jīng)電流鏡電路映射最終得到兩路電流輸出IOUT1<1:11>，IOUT2<1:11>，其中，IOUT1用于后級驅(qū)動的電流鏡電路所需的偏置，IOUT2則用于讀出放大時所需的偏置。該兩路電流均為高精度的。圖7和8為電流的輸出特性曲線。

1.2.3 電流鏡

驅(qū)動電流的產(chǎn)生主要是根據(jù)電流鏡的映射實現(xiàn)的，基本原理如圖9所示。具體實施時，采用了兩級電流鏡結(jié)構(gòu)，第一級為由NMOS管形成的電流鏡，第二級為由PMOS管形成的電流鏡。由基準(zhǔn)電流源電路產(chǎn)生的基準(zhǔn)電流，通過兩級映射后產(chǎn)生的電流最終耦合至位線，加到相變單元上。該兩級電流鏡電路，最終產(chǎn)生用于Set、Reset和Read的大小不同的驅(qū)動電流，且在第一級電流鏡電路與第二級電流鏡電路間加入控制開關(guān)SWITCH1、SWITCH2和SWITCH3，這些控制開關(guān)的打開與關(guān)閉由驅(qū)動控制電路部分發(fā)出的脈沖信號進行控制，使加到相變單元上的脈沖信號具有一定脈寬與脈高，實現(xiàn)Set、Reset和Read操作。

進行寫操作時，以Reset為例，需要施加一個短而強的電壓或電流脈沖，電能轉(zhuǎn)變成熱能，使相變材料的溫度升高到熔化溫度以上，經(jīng)快速冷卻，可以使多晶的長程有序遭到破壞，從而實現(xiàn)由多晶向非晶的轉(zhuǎn)化，低阻變?yōu)楦咦?。首先通過解碼電路輸出的高電平將選通管NT打開，隨后通過驅(qū)動控制電路將SWITCH1打開，而SWITCH2和SWITCH3此時則處于關(guān)閉狀態(tài)，這樣，由PMOS管P0和P1形成的電流鏡，產(chǎn)生一定大小的并且一定倍數(shù)于基準(zhǔn)電流IOUT1的電流I1。同樣的，由NMOS管N1和N4形成的電流鏡將I1再次鏡像得到所需的Reset電流I1’，I1’通過打開的傳輸門TG及打開的選通管NT施加到相變單元中的相變材料上，從而使相變材料發(fā)生相變，SWTICH1的時序決定了所施加的Reset電流脈沖的寬度，要求是一個較短的脈沖，比較典型的數(shù)值一般小于50nm。

Set時，需要施加一個長且強度中等的電壓或電流脈沖，相變材料的溫度升高到結(jié)晶溫度以上、熔化溫度以下，并保持一定的時間（一般大于50ns），使相變材料由非晶轉(zhuǎn)化為多晶，高阻變?yōu)榈妥?。具體實施時，SWITCH1和SWITCH3關(guān)閉，SWITCH2打開，通過由PMOS管P0、P2和NMOS管N2、N5形成的兩級電流鏡產(chǎn)生所需的Set電流I2’，施加到相變單元中的相變材料上，使相變材料發(fā)生由非晶態(tài)到晶態(tài)的轉(zhuǎn)換，SWITCH2的時序決定了所施加的Set電流脈沖寬度。要求是一個稍長的脈沖，比較典型的數(shù)值一般大于100nm。

Read操作時，開關(guān)SWITCH4打開，傳輸門TG打開，電流鏡中SWITCH1、SWITCH2關(guān)閉，SWITCH3打開，通過PMOS管P0、P3和NMOS管N3、N6形成的兩級電流鏡產(chǎn)生讀電流I3’，施加到相變單元GST上，該讀電流是足夠小的，產(chǎn)生的熱能保證相變材料的溫度始終低于結(jié)晶溫度，材料不發(fā)生相變。讀出的實質(zhì)是讀出相變單元上的電壓情況，由其電壓看電阻情況。該電壓由端口SOUT輸出，與某一參考電壓經(jīng)過靈敏放大器被比較放大讀出，晶態(tài)與非晶態(tài)時的讀出電壓是可以嚴(yán)格區(qū)分開的。圖10為讀出放大電路示意圖。圖11為最終加到相變單元上的電流脈沖信號，具體脈寬可通過脈沖信號發(fā)生器進行調(diào)節(jié)。

考慮如圖12所示的電流鏡，該結(jié)構(gòu)采用共源共柵的改進結(jié)構(gòu)，可得到更精確的驅(qū)動電流，并且將選通管源端接地（不同于圖10中的情況：選通管的襯偏效應(yīng)限制了能流過相變單元的最大電流，故其尺寸需要設(shè)計的較大些），圖12中選通管的襯偏效應(yīng)得以消除，可僅用較小的選通管尺寸得到相同的效果，這種結(jié)構(gòu)將在1Mb容量的PC2RAM芯片中得以運用。

2 結(jié)論

本文介紹了相變存儲器芯片驅(qū)動電路的設(shè)計與實現(xiàn)方法。仿真表明，基準(zhǔn)電壓、偏置電流具有良好的精度，整個16KbPCRAM芯片采用SMIC0118μmCMOS工藝實現(xiàn)，測試進一步驗證了仿真結(jié)果，表明該驅(qū)動電路具有良好的驅(qū)動能力。