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相变化存储器
    【技术领域】

    本发明是有关于一种相变化存储器(Pha se Change Memory，PCM)。

    背景技术

    相变化物质(Phase Change Material)包括两种相态：一为晶相(crystalline)、另一为非晶相(amorphous)。新兴存储器-相变化存储器(PCM)-使用相变化物质作为储存单元(以下称相变化储存单元)，以其晶相状态带表位值’0’、其非晶相状态代表位值’1’。

    根据流经其中的作用电流，相变化储存单元于晶相、非晶相之间切换。以下以表格比较晶相、非晶相的作用电流特性：

    

    其中，又以晶相转换最难以控制。不适当的作用电流将使得相变化储存单元不完全结晶，无法完整转化成晶相。

    【发明内容】

    本发明揭露一种相变化存储器，包括：分流切换电路、相变化储存单元、位选取开关、脉冲产生模块、以及计数模块。分流切换电路包括多个开关，用以耦接多个分流路径至基准电流源的输出端。位选取开关负责导通该相变化储存单元与该基准电流源的该输出端。脉冲产生器负责输出脉冲信号。计数器在致能时计数该脉冲信号的脉冲；其计数结果为第一组数字信号，耦接上述分流切换电路控制上述开关。

    为让本发明的上述和其它特征、和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明。

    【附图说明】

    图1图解相变化存储器中作用电流产生电路、位选取开关、以及相变化储存单元的实施方式；

    图2揭露本发明相变化存储器的一种实施方式；

    图3为本发明相变化存储器的另一种实施式；

    图4为本发明相变化存储器的另一种实施方式；

    图5为本发明相变化存储器的另一种实施方式；

    图6图解本发明作用电流产生电路的一种实施电路；

    图7A为本发明计数模块的一种实施方式；以及

    图7B图解信号WE、EN_u、EN_d、与作用电流I_w之间的关系。

    [主要元件标号说明]

    100～作用电流产生电路；        102～位选取开关；

    104～相变化储存单元；          106～位选取信号；

    108～分流切换电路；            202～脉冲产生模块；

    204～计数模块；                206～脉冲信号；

    302～电压控制振荡器；          402～验证电路；

    404～数字模拟转换器；          406～电压控制振荡器；

    408～测试用相变化储存单元；    410～电流源；

    412～比较电路；                502～串接的反相器；

    504～反相器驱动电路；          506～测试用相变化储存单元；

    602～偏压电路；                604～分流切换电路；

    702～上数计数器；              704～下数计数器；

    706～多工器电路；              C₁...C_k～控制信号；

    EN～计数致能信号；             En_d、EN_u～下、上数计数致能信号；

    I₁...I_k～分流电流；            I_b～基准电流源电流；

    I_d～反相器驱动电流；           I_ref～参考电流；

    I_w～作用电流；                 N₁～基准电流源的输出端；

    M₁...M₂、M_b1、M_b2～晶体管；    R～电阻；

    SW₁...SW₂～开关；              t₁、t₂～第一、第二时间点；

    WE～多工器选择信号；

    V_in、V_t～电压值；以及          V_ref、V_ref1、V_ref2～参考电压。

    【具体实施方式】

    图1图解作用电流产生电路100、位选取开关102、以及相变化储存单元104。位选取开关102串接相变化储存单元104，由信号106控制，于导通时传递作用电流I_w至相变化储存单元104。作用电流产生电路100负责产生作用电流I_w。

    作用电流产生电路100包括基准电流源I_B、多个分流源I₁、I₂、...、I_k、以及一分流切换电路108。分流切换电路108包括多个开关SW₁、SW₂、...、SW_k，分别由控制信号为C₁、C₂、...、C_k控制，用以耦接分流源I₁、I₂、...、I_k至基准电流源I_B的输出端N₁，调整作用电流I_w的大小。

    图2揭露本发明相变化存储器的一种实施方式；其中以脉冲产生模块202以及计数模块204产生控制信号C₁、C₂、...、C_k，以控制图1分流切换电路108内的开关SW₁、SW₂、...、SW_k。脉冲产生模块202负责输出脉冲信号206至计数模块204。在计数致能信号EN致能下，计数模块204计数该脉冲信号204的脉冲、且将计数结果以一组数字信号输出，作为控制信号C₁、C₂、...、C_k使用。

    计数模块204可执行下数、或上数操作，使控制信号C₁...C_k由1...1递减到0...0、或由0...0渐增到1...1。由于分流切换电路108内的开关SW₁、SW₂、...、SW_k随控制信号C₁...C_k切换，作用电流I_w可步进增加、或步进降低。在晶相转化的例子中，本发明-可步进增加的作用电流I_w-使得相变化储存单元104可轻易转化至晶相。相较于传统技术，本发明所揭露的相变化存储器仅需低峰值(peak value)作用电流I_w即可良好转化相变化储存单元104。

    图3为本发明相变化存储器的另一种实施式，其中脉冲产生模块202由电压控制振荡器302实现。电压控制振荡器302将根据电压值V_in调整脉冲信号206的频率，进而影响计数模块204的下数、或上数速度。作用电流I_w的步进增加、或步进降低速度将随着控制信号C₁...C_k变化速度调整。

    图3的实施方式提供一种相变化存储器，使用者可通过电压值V_in调整作用电流I_w的步进增加、或步进降低速度，有助于相变化储存单元104的相位转化。

    图4为本发明相变化存储器的另一种实施方式，其中脉冲产生模块202包括验证电路402、数字模拟转换器404以及电压控制振荡器406。验证电路402包括测试用相变化储存单元408。在测试模式下，电流源410提供测试用相变化储存单元408一测试电流，尝试设定其相态。在验证模式下，电流源410提供测试用相变化储存单元408一读取电流，以产生电压值V_t输入比较电路412与参考电位V_ref1与V_ref2进行比较，判断相变化储存单元408的电阻值。测试电路412的输出为一组数字信号，将由数字模拟转换器404转换为电压信号V_in。电压控制振荡器406则根据电压信号V_in输出脉冲信号206。

    图5为本发明相变化存储器的另一种实施方式，其中脉冲产生模块202包括串接的多个反相器(标号502所示)与一反相器驱动电路504。如电路502所示，最后一级反相器的输出端耦接第一级反相器的输入端。电路502输出脉冲信号206。电压值V_ref为定值；测试用相变化储存单元506的电阻值将影响反相器驱动电路504所提供的驱动电流I_d，进而影响脉冲信号206的频率，改变作用电流I_w的步进增加、或步进降低速度。测试用相变化储存单元506可事先由测试电流作用(尝试转换其相态)，再耦接至反相器驱动电路504。图中电阻R将确保驱动电流I_d的最低值，避免脉冲信号206振荡过慢，作用时间I_w过长；其它实施方式亦可不使用电阻R。

    相较于图3，图4与5所示的实施方式以测试用相变化储存单元408与506提供一种判断机制，使作用电流I_w根据目前相变化存储器的相态转化能力微调，以完成更好的相态转化。

    图6图解本发明作用电流产生电路的一种实施电路。作用电流产生电路600包括偏压电路602，用以偏压晶体管M_b1与M_b2形成基准电流源供应电流I_b。作用电流产生电路600更以四个晶体管M₁、M₂、M₃与M₄提供四条分流路径。在偏压电路602偏压下，晶体管M₁、M₂、M₃与M₄根据电流I_ref提供分流I₁、I₂、I₃与I₄。电路600内的晶体管尺寸可经过特别设计，令电流I_b∶I₁∶I₂∶I₃∶I₄∶I_ref为16∶1∶2∶4∶8∶1。分流切换电路604以多个开关SW₁、SW₂、SW₃、与SW₄耦接该些晶体管M₁、M₂、M₃与M₄至端点N₁，以分流上述电流I_b，形成作用电流I_w。该些开关SW₁、SW₂、SW₃、与SW₄的控制信号为C₁、C₂、C₃与C₄。控制信号(如C₁)为高电压电平时，开关(SW₁)导通；控制信号(如C₁)为低电压电平时，开关(SW₁)不导通。

    以下将作用电流产生电路600应用于图4的实施方式中，且其中计数模块204包括上数计数器，电压控制振荡器406的操作为-电压值V_in愈大，脉冲信号206振荡愈快。以下以晶相转化为例。测试模式下，测试电流值可设为I_b(同图6的I_b)，尝试转换测试用相变化储存单元408至晶相。验证模式下，电流源410提供测试用相变化储存单元408一读取电流，将测试用相变化储存单元408的电阻值反应在在验证电路402的该组数字输出上。若测试用相变化储存单元408晶相程度不足，则测试用相变化储存单元408的电阻值过大，验证电路402输出代表较低数值的数字信号组，拉低电压V_in。随电压V_in拉低，脉冲信号206振荡变慢，数字信号组C₁、C₂、C₃与C₄递增(由0000增至1111)速度变慢，进而迟缓该作用电流I_w由16.I_ref递减至1.I_ref的速度，改善晶相化该相变化储存单元104的能力。

    以下将作用电流产生电路600应用于图5的实施方式中，且其中计数模块204包括上数计数器。以下以晶相转化为例。首先，可令测试电流值为I_b(同图6的I_b)，尝试转换测试用相变化储存单元506至晶相。接着，将测试用相变化储存单元506安装于反相器驱动电路504。若测试用相变化储存单元506晶相化程度不足，则测试用相变化储存单元506的电阻值过大，电流I_d拉低，脉冲信号206振荡慢，数字信号组C₁、C₂、C₃与C₄增(由0000增至1111)速度变慢，进而迟缓该作用电流I_w由16.I_ref递减至1.I _ref的速度，改善晶相化该相变化储存单元104的能力。

    图7A为计数模块204的一种实施方式，其中同时包括上数计数器702以及下数计数器704，分别由计数器致能信号EN_u或EN_d致能。多工器电路706根据多工器选择信号WE切换输出上数、或下数结果。

    以下将图6的作用电流产生电路600、以及图7A的计数模块应用在图2的相变化存储器中，且令位选取信号106导通位选取开关102；信号WE、EN_u、EN_d、与作用电流I_w之间的关系如图7B所示。时间点t₁，多工器选择信号WE切换至高电位、且下数计数器704由计数致能信号EN_d启动，递减的数据由多工器电路706输出(C₁、C₂、C₃与C₄由1111递减至0000)。图6分支切换电路604内的开关SW₁、SW₂、SW₃、与SW₄随C₁、C₂、C₃与C₄切换，令作用电流I_w递增。时间点t₂，多工器选择信号WE切换至低电位、且上数计数器702由计数致能信号EN_u启动，递增的数据由多工器电路706输出(C₁、C₂、C₃与C₄由0000递增至1111)。图6分支切换电路604内的开关SW₁、SW₂、SW₃、与SW₄随C₁、C₂、C₃与C₄切换，令作用电流I_w递减。

    如图7B所示，本发明提供的相变化存储器可缓步递增、或递减作用电流I_w，相变化储存单元的相态转化程度远优于传统技术。此外，本发明还揭露作用电流I_w递增、递减速度的控制技术。

    上述各实施例并非用来限定本发明的范围。任何所属技术领域中具有通常知识者对本发明内容所作的更动或润饰，皆属本说明书所欲保护的范围。本发明的专利保护范围当以所附的权利要求范围所界定者为准。