CN105702289B - 一种相变存储器的写入电路和写入方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种相变存储器的写入电路及方法，电路包括：操作单元、逻辑控制单元和电压调整反馈单元；操作单元根据所接收的写入操作信号向相变存储器阵列基本单元执行相应的写入操作；电压调整反馈单元选择写入操作信号相应的阈值电压与端电压进行比较，当端电压大于阈值电压时，向逻辑控制单元输出断开开关控制信号；逻辑控制单元在接收到断开开关控制信号后，控制操作单元与相变存储器阵列基本单元断开。本发明保持了相变存储器写入数据的一致性。
Description
技术领域
本发明涉及相变存储器相关技术领域，特别是一种相变存储器的写入电路和写入方法。
背景技术
相变存储器，具体为相变电阻(PCM)具有存储单元尺寸小，非挥发性，循环寿命长，稳定性好，功耗低和可嵌入功能强等优点，特别是在器件特征尺寸的微缩方面的优势尤为突出，业界认为在不久的将来会有越来越大的技术优势。因此它被认为是下一代非挥发存储技术的最佳解决方案之一，在低压，低功耗，高速，高密度和嵌入式存储方面有广阔的前景。
相变存储器主要是通过施加不同大小的特殊脉冲，导致相变材料局部区域因不同温度而产生非晶态(amorphous state)与晶态(crystalline state)变化。非晶态表示逻辑“1”，晶态表示逻辑“0”。
一般情况，将材料从非晶体到多晶体的转化过程称作置位(Set)，从多晶体到非晶体的转化过程称作重置(Reset)。对于重置操作，只需要将温度提升到熔化温度以上然后迅速的冷却便能够达到非晶体的状态，相对来说比较容易。然而对于置位操作，则需要将温度提升到结晶温度以上，熔化温度以下，然后缓慢的冷却结晶。
目前的相变存储器的数据写入方法主要是：采用写入结构在相变材料上加一个电流或者电压脉冲。其中，电流脉冲的示意图如图1a和1b所示，横坐标为时间，纵坐标为电流。图1a表示写入电路产生的重置(Reset)电流，作重置(Reset)操作时被加入到相变材料，使其发生晶态到非晶态的转变。图1b表示置位(Set)电流，作置位(Set)操作时被加入到相变材料，使其发生非晶态到晶态的转变。如果相变过程正确完成，则电流脉冲结束后，相变材料维持对应的状态直到下一次写入操作。
由于置位(Set)操作需要温度能够缓慢的下降以便于相变材料能够达到结晶的状态达到低电阻的电学特性，因此对于温度的下降时间有一定的要求。
由于相变存储工艺偏差和不成熟，相变材料在高阻状态和低阻状态时的具体值是未知的，每次数据写入做置位(Set)或重置(Reset)操作时，相变存储器呈现出来的阻值都不同，给写入数据和读取数据带来不确定性。
发明内容
基于此，有必要针对现有技术相变存储器写入数据不准确的技术问题，提供一种相变存储器的写入电路和写入方法。
一种相变存储器的写入电路，包括：操作单元、逻辑控制单元和电压调整反馈单元；
所述操作单元，用于根据所接收的写入操作信号向包括所述相变存储器的相变存储器阵列基本单元执行相应的写入操作；
所述电压调整反馈单元，用于获取所述写入操作信号和所述相变存储器的端电压，选择与所述写入操作信号相应的阈值电压与所述端电压进行比较，当所述端电压大于所述阈值电压时，向所述逻辑控制单元输出断开开关控制信号；
所述逻辑控制单元，用于在接收到所述断开开关控制信号后，控制所述操作单元与所述相变存储器阵列基本单元断开。
一种相变存储器的写入方法，包括：
操作单元输出步骤，包括：根据所接收的写入操作信号向包括所述相变存储器的相变存储器阵列基本单元执行相应的写入操作；
电压反馈步骤，包括：获取写入操作信号和所述相变存储器的端电压，选择与所述写入操作信号相应的阈值电压与所述端电压进行比较，且：
当所述端电压大于所述阈值电压时，控制所述操作单元与所述相变存储器阵列基本单元断开。
本发明通过电压调整反馈单元对相变存储器的电压与阈值电压进行比较，当相变存储器的电压达到阈值电压时断开操作单元与相变存储器阵列基本单元的连接，从而停止对相变存储器阵列基本单元进行写入操作。由于直接检测相变存储器的电压，因此在写入数据时，即使相变存储器的阻值不确定，都可以得到相变存储器在非晶态和晶态时的一个固定的电压值，从而保持了写入数据的一致性。
附图说明
图1a为重置操作时电流脉冲示意图；
图1b为置位操作时电流脉冲示意图；
图2为本发明一种相变存储器的写入电路的电路原理图；
图3为一个例子中电压调整电路的示意图；
图4为本发明一种相变存储器的写入方法的工作流程图；
图5为本发明一个实施例中逻辑控制单元的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。
如图2所示为本发明一种相变存储器的写入电路的电路原理图，包括：操作单元1、逻辑控制单元2和和电压调整反馈单元4；
所述操作单元1，用于根据所接收的写入操作信号向包括所述相变存储器31的相变存储器阵列基本单元3执行相应的写入操作；
所述电压调整反馈单元4，用于获取所述写入操作信号和所述相变存储器的端电压，选择与所述写入操作信号相应的阈值电压与所述端电压进行比较，当所述端电压大于所述阈值电压时，向所述逻辑控制单元输出断开开关控制信号；
所述逻辑控制单元2，用于在接收到所述断开开关控制信号后，控制所述操作单元2与所述相变存储器阵列基本单元3断开。
在对相变存储器阵列基本单元3执行写入操作时，选通管32选通，操作单元1对相变存储器阵列基本单元3执行写入操作，操作单元1所执行的写入操作可以采用现有的各种写入操作方式，例如背景技术中所介绍的在相变材料上加一个电流或者电压脉冲的方法。即操作单元1执行写入操作可以是操作单元1输出写入电流，其中，电流脉冲的示意图如图1所示。在操作单元1对相变存储器阵列基本单元3执行写入操作时，相变存储器阵列基本单元3的相变存储器31的端电压会上升，当端电压的电压继续上升超过与写入操作相应的阈值电压时，电压调整反馈单元4输出断开开关控制信号，从而停止对相变存储器阵列基本单元3进行写入操作。因此，使得相变存储器31的端电压能够稳定在与写入操作相应的阈值电压，使得每次写入数据时，都可以在非晶态和晶态时得到一个固定的电压值，从而保持了写入数据的一致性。
所述电压调整反馈单元4包括：基准电压输出电路42和比较器41，所述基准电压输出电路42的输出端与所述比较器41的第一输入端连接，所述比较器41的第二输入端与所述相变存储器阵列基本单元3连接，所述比较器41的输出端与所述逻辑控制单元2连接，所述基准电压输出电路输出所述写入操作相应的阈值电压。
本实施例中，采用比较器41对基准电压输出电路42所输出的阈值电压与相变存储器阵列基本单元3的相变存储器31的电压进行比较，保证测量准确。
作为一个例子，比较器41的第一输入端为正输入端，比较器41的第二输入端为负输入端，当相变存储器31的电压高于或等于阈值电压时，比较器41的输出端输出高电平作为断开开关控制信号。
在其中一个实施例中：
所述写入操作包括置位操作和重置操作，所述阈值电压包括与置位操作相应的置位阈值电压、与重置操作相应的重置阈值电压，所述写入操作信号包括与置位操作相应的置位操作信号、与重置操作相应的重置操作信号，所述置位阈值电压低于所述重置阈值电压；
所述基准电压输出电路42包括：电压调整电路421、置位开关422和重置开关423，所述电压调整电路421包括输出置位阈值电压的置位基准电压输出端和输出重置阈值电压的重置基准电压输出端，所述置位开关422的一端与所述置位基准电压输出端连接，另一端作为所述基准电压输出电路42的输出端与所述比较器41的第一输入端连接，所述重置开关423的一端与所述重置基准电压输出端连接，另一端作为所述基准电压输出电路42的输出端与所述比较器41的第一输入端连接；当所述基准电压输出电路42接收到所述置位操作信号时，所述置位开关422闭合，所述重置开关423断开；
当所述基准电压输出电路42接收到所述重置操作信号时，所述置位开关422断开，所述重置开关423闭合。
电压调整电路421输出多个阈值电压，通过置位开关422和重置开关423控制所输出的阈值电压。
当相变存储器31处于晶态时，相变存储器31阻值较低，此时相应的阈值电压选择为置位阈值电压Vl；当相变存储器31处于非晶态时，相变存储器31阻值较高，相应的阈值电压选择为重置阈值电压Vh，其中Vh>Vl。
本实施例的方式能够灵活地输出不同的阈值电压，电压调整电路421可以简单地采用分压电路实现，例如图3所示的电路中，电压VCC通过不同的分压电阻4211、4212、4213进行分压并分别引出不同的输出端4214、4215、4216从而得到不同的电压。
在其中一个实施例中，所述阈值电压还包括状态待定阈值电压，所述状态待定阈值电压大于所述置位阈值电压且小于所述重置阈值电压，所述基准电压输出电路42还包括：状态待定开关424，所述电压调整电路421还包括输出状态待定阈值电压的状态待定基准电压输出端，所述状态待定开关424的一端与所述状态待定基准电压输出端连接，另一端作为所述基准电压输出电路42的输出端与所述比较器41的第一输入端连接；
当所述基准电压输出电路42在没有接收到所述置位操作信号且没有接收到所述重置操作信号时，所述状态待定开关424闭合，所述置位开关422断开，所述重置开关423断开；
当所述基准电压输出电路42接收到所述置位操作信号或者所述重置操作信号时，所述状态待定开关424断开。
在其中一个实施例中，所述逻辑控制单元2，还用于接收控制启动信号和所述写入操作信号，当接收到所述控制启动信号，则向所述操作单元和所述电压调整反馈单元输出所述写入操作信号。
本实施例逻辑控制单元2，仅在接收到控制启动信号后才开始对相变存储器阵列基本单元3的写入操作进行控制，从而提高灵活性。
如图5所示，在其中一个实施例中，所述逻辑控制单元2包括：第一与非门21、第二与非门22、第三与非门23、第一反相器24、第二反相器25、第三反相器26和场效应管27；
所述第一与非门21的一个输入端与所述电压调整反馈单元4连接接收所述断开开关控制信号，另一个输入端接收所述控制启动信号，所述第一与非门21的输出端与所述第一反相器24的输入端连接，所述第一反相器24的输出端与所述场效应管27的栅极连接，所述场效应管27的源极与所述相变存储器阵列基本单元连接；
所述第二与非门22的一个输入端接收所述写入操作信号，另一个输入端接收所述控制启动信号，所述第二与非门22的输出端与所述第二反相器25的输入端连接，所述第二反相器25的输出端与所述操作单元1连接输出所述写入操作信号；
所述第三与非门23的一个输入端接收所述写入操作信号，另一个输入端接收所述控制启动信号，所述第三与非门23的输出端与所述第三反相器26的输入端连接，所述第三反相器26的输出端与所述电压调整反馈单元4连接输出所述写入操作信号。
其中，第一与非门21与第一反相器24根据控制启动信号和电压调整反馈单元4的输出对场效应管27进行控制，第二与非门22与第二反相器25根据控制启动信号和写入操作信号对操作单元1进行控制，第三与非门23与第三反相器26根据控制启动信号和写入操作信号对电压调整反馈单元4进行控制。
如图4所示为本发明一种相变存储器的写入方法的工作流程图，包括：
步骤S401，包括：根据所接收的写入操作信号向包括所述相变存储器的相变存储器阵列基本单元执行相应的写入操作；
步骤S402，包括：获取写入操作信号和所述相变存储器的端电压，选择与所述写入操作信号相应的阈值电压与所述端电压进行比较，且：
当所述端电压大于所述阈值电压时，控制所述写入操作与所述相变存储器阵列基本单元断开。
在其中一个实施例中：
所述写入操作包括置位操作和重置操作，所述阈值电压包括与置位操作相应的置位阈值电压、与重置操作相应的重置阈值电压，所述写入操作信号包括与置位操作相应的置位操作信号、与重置操作相应的重置操作信号，所述置位阈值电压低于所述重置阈值电压；
所述选择与所述写入操作信号相应的阈值电压，具体包括：
如果所述写入操作信号为所述置位操作信号，则选择所述置位阈值电压与所述端电压进行比较，如果所述写入操作信号为所述重置操作信号，则选择所述重置阈值电压与所述端电压进行比较。
在其中一个实施例中，所述阈值电压还包括状态待定阈值电压，所述状态待定阈值电压大于所述置位阈值电压且小于所述重置阈值电压；
所述步骤S402，还包括：当没有接收到所述置位操作信号且没有接收到所述重置操作信号时，则选择所述状态待定阈值电压与所述端电压进行比较。
在其中一个实施例中，还包括逻辑控制步骤；
所述逻辑控制步骤，包括：接收控制启动信号和所述写入操作信号，当接收到所述控制启动信号，则在所述步骤S401和所述步骤S402输出所述写入操作信号。
作为本发明的最佳实施例，图2为本发明提出电阻值检测电路结构如图2所示，该电路结构包括:操作单元1、逻辑控制单元2、相变存储器阵列基本单元3和电压调整反馈单元4，其中相变存储器阵列基本单元3包括相变存储器31和选通管32，相变存储器31优选为相变电阻。电压反馈电路4包括有比较器41、电压调整电路421、置位开关422、重置开关423和状态待定开关424。
其中电压反馈电路4的电压调整电路421可以提供三组参考电压，分别为Vl、Vh、Vref。当作置位Set操作时，相变存储器31处于晶态时，相变存储器31阻值较低，此时参考电压选择为Vl；当作重置Reset操作时，相变存储器31处于非晶态时，相变存储器31阻值较高，参考电压选择为Vh；当不能确定是作置位Set操作还是重置Reset操作时，参考电压为Vref。
逻辑控制单元2的具体电路如图5所示，当数据写入时，逻辑控制单元2的Start端发出高电平。
当作置位Set操作时，逻辑控制单元2的Write端发出低电平0，经过与非门22和反相器25输出低电平给操作单元1，操作单元1输出Set电流，同理与非门23和反相器26输出低电平到电压调整反馈单元4，电压调整反馈单元4则提供参考电压Vl；当比较器检测相变存储器31的端电压Vsen0大于Vl时，比较器41的输出端Vo输出高电平，与Start信号再经过与非门21和反向器24，输出高电平关断场效应管27，从而停止写入；
同理当作Reset操作时，逻辑控制单元2的Write端发出高电平，经过与非门22和反相器25输出高电平给操作单元1，操作单元1输出Reset电流，同时与非门23和反相器26输出高电平到电压调整反馈单元4，电压调整反馈单元4提供参考电压Vh；当比较器41检测相变存储器31的端电压Vsen0大于Vh时，比较器41的输出端Vo输出高电平，与Start信号，再经过与非门21和反向器24，输出高电平关断场效应管27，停止写入。
通过以上操作，能够提供固定的电压参考值，无论作Set还是Reset操作时，当检测电压大于参考电压时，便停止写入，从而每次写入数据时，都可以得到相变存储器在非晶态有一个与Vl相应的固定值Rlow，在晶态时有一个与Vh相应的固定值Rhigh，从而保持了写入数据的一致性。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种相变存储器的写入电路，其特征在于，包括：操作单元、逻辑控制单元和电压调整反馈单元；
所述操作单元，用于根据所接收的写入操作信号向包括所述相变存储器的相变存储器阵列基本单元执行相应的写入操作；
所述电压调整反馈单元，用于获取所述写入操作信号和所述相变存储器的端电压，选择与所述写入操作信号相应的阈值电压与所述端电压进行比较，当所述端电压大于所述阈值电压时，向所述逻辑控制单元输出断开开关控制信号；
所述逻辑控制单元，用于在接收到所述断开开关控制信号后，控制所述操作单元与所述相变存储器阵列基本单元断开。
2.根据权利要求1所述的写入电路，其特征在于，所述电压调整反馈单元包括：基准电压输出电路和比较器，所述基准电压输出电路的输出端与所述比较器的第一输入端连接，所述比较器的第二输入端与所述相变存储器阵列基本单元连接，所述比较器的输出端与所述逻辑控制单元连接，所述基准电压输出电路接收所述写入操作信号，根据所述写入操作信号选择相应的阈值电压从所述基准电压输出电路的输出端输出。
3.根据权利要求2所述的写入电路，其特征在于：
所述写入操作包括置位操作和重置操作，所述阈值电压包括与置位操作相应的置位阈值电压、与重置操作相应的重置阈值电压，所述写入操作信号包括与置位操作相应的置位操作信号、与重置操作相应的重置操作信号，所述置位阈值电压低于所述重置阈值电压；
所述基准电压输出电路包括：电压调整电路、置位开关和重置开关，所述电压调整电路包括输出置位阈值电压的置位基准电压输出端和输出重置阈值电压的重置基准电压输出端，所述置位开关的一端与所述置位基准电压输出端连接，另一端作为所述基准电压输出电路的输出端与所述比较器的第一输入端连接，所述重置开关的一端与所述重置基准电压输出端连接，另一端作为所述基准电压输出电路的输出端与所述比较器的第一输入端连接；
当所述基准电压输出电路接收到所述置位操作信号时，所述置位开关闭合，所述重置开关断开；
当所述基准电压输出电路接收到所述重置操作信号时，所述置位开关断开，所述重置开关闭合。
4.根据权利要求3所述的写入电路，其特征在于，所述阈值电压还包括状态待定阈值电压，所述状态待定阈值电压大于所述置位阈值电压且小于所述重置阈值电压，所述基准电压输出电路还包括：状态待定开关，所述电压调整电路还包括输出状态待定阈值电压的状态待定基准电压输出端，所述状态待定开关的一端与所述状态待定基准电压输出端连接，另一端作为所述基准电压输出电路的输出端与所述比较器的第一输入端连接；
当所述基准电压输出电路在没有接收到所述置位操作信号且没有接收到所述重置操作信号时，所述状态待定开关闭合，所述置位开关断开，所述重置开关断开；
当所述基准电压输出电路接收到所述置位操作信号或者所述重置操作信号时，所述状态待定开关断开。
5.根据权利要求1所述的写入电路，其特征在于，所述逻辑控制单元，还用于接收控制启动信号和所述写入操作信号，当接收到所述控制启动信号，则向所述操作单元和所述电压调整反馈单元输出所述写入操作信号。
6.根据权利要求5所述的写入电路，其特征在于，所述逻辑控制单元包括：第一与非门、第二与非门、第三与非门、第一反相器、第二反相器、第三反相器和场效应管；
所述第一与非门的一个输入端与所述电压调整反馈单元连接接收所述断开开关控制信号，另一个输入端接收所述控制启动信号，所述第一与非门的输出端与所述第一反相器的输入端连接，所述第一反相器的输出端与所述场效应管的栅极连接，所述场效应管的漏极与所述操作单元连接，所述场效应管的源极与所述相变存储器阵列基本单元连接；
所述第二与非门的一个输入端接收所述写入操作信号，另一个输入端接收所述控制启动信号，所述第二与非门的输出端与所述第二反相器的输入端连接，所述第二反相器的输出端与所述操作单元连接输出所述写入操作信号；
所述第三与非门的一个输入端接收所述写入操作信号，另一个输入端接收所述控制启动信号，所述第三与非门的输出端与所述第三反相器的输入端连接，所述第三反相器的输出端与所述电压调整反馈单元连接输出所述写入操作信号。
7.一种相变存储器的写入方法，其特征在于，包括：
操作单元输出步骤，包括：根据所接收的写入操作信号向包括所述相变存储器的相变存储器阵列基本单元执行相应的写入操作；
电压反馈步骤，包括：获取写入操作信号和所述相变存储器的端电压，选择与所述写入操作信号相应的阈值电压与所述端电压进行比较，且：
当所述端电压大于所述阈值电压时，控制所述操作单元与所述相变存储器阵列基本单元断开。
8.根据权利要求7所述的写入方法，其特征在于：
所述写入操作包括置位操作和重置操作，所述阈值电压包括与置位操作相应的置位阈值电压、与重置操作相应的重置阈值电压，所述写入操作信号包括与置位操作相应的置位操作信号、与重置操作相应的重置操作信号，所述置位阈值电压低于所述重置阈值电压；
所述选择与所述写入操作信号相应的阈值电压，具体包括：
如果所述写入操作信号为所述置位操作信号，则选择所述置位阈值电压与所述端电压进行比较，如果所述写入操作信号为所述重置操作信号，则选择所述重置阈值电压与所述端电压进行比较。
9.根据权利要求8所述的写入方法，其特征在于，所述阈值电压还包括状态待定阈值电压，所述状态待定阈值电压大于所述置位阈值电压且小于所述重置阈值电压；
所述电压反馈步骤，还包括：当没有接收到所述置位操作信号且没有接收到所述重置操作信号时，则选择所述状态待定阈值电压与所述端电压进行比较。
10.根据权利要求7所述的写入方法，其特征在于，还包括逻辑控制步骤；
所述逻辑控制步骤，包括：接收控制启动信号和所述写入操作信号，当接收到所述控制启动信号，则在所述操作单元输出步骤和所述电压反馈步骤输出所述写入操作信号。
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