MaM发表上海微系统与信息技术研究所宋志棠、雷宇团队研究性文章：相变存储器高速编程电路设计

近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所宋志棠、雷宇团队以“Phase change memory programming circuit with improved speed”为题在MaM上发表研究性文章，分析了传统相变存储器（PCM）编程电路存在编程脉冲上升时间慢、相变单元编程一致性差的问题，并提出了增加参考电流提升充电速度和将参考电路控制从 SET Enable/RESET Enable 改为 Write Enable 控制这两种解决方案，提升了相变存储器的工作速度与稳定性，从而为其在超快编程、多级存储及高密度存储等领域的应用奠定了基础。第一作者为杨欣宇，通讯作者为雷宇副研究员。MaM是全球首本专注集成电路超越摩尔（泛摩尔技术）领域的英⽂期刊，已入选“中国科技期刊卓越行动计划”高起点新刊。

随着现代信息产业的飞速发展以及人工智能、云计算和大数据时代的到来，数据量呈现爆炸式增长的趋势，存储行业已经成为集成电路产业最大的细分市场。相变存储器是目前最成熟的新型非易失性随机存储器之一，在诸多热门领域中有着广阔的应用前景。本文设计了一种改进型高速PCM编程电路，旨在优化存储器上电后第一次编程电流脉冲波形，并尽可能减少功耗。结果表明，与传统PCM编程电路方案相比，改进后的编程电路上电后的第一次电流脉冲上升迅速，相变单元编程一致性好，功耗更低。

PCM器件由PCM单元和选择晶体管组成。如图1所示，蘑菇形PCM器件结构由相变层组成，如GST基硫族化物，夹在顶部金属电极和称为加热器的电阻电极之间。这种结构因其制造简单、编程速度快、能耗低、性能稳定而广泛应用于PCM单元。

图1 蘑菇形PCM器件示意图

PCM编程操作涉及向PCM单元施加具有特定形状的电流脉冲。电流脉冲产生的焦耳热使相变材料发生可逆相变，从而利用晶态和非晶态之间的电阻差异来编程信息。PCM单元的编程操作分为SET和RESET操作。如图2所示，为将PCM单元编程为晶态，需要施加一个电流脉冲，使相变材料达到结晶温度和熔点之间的温度，并保持特定持续时间以允许原子形成长程有序结构，从而确保结晶。这种“宽而低”的电流脉冲称为SET操作。为将PCM单元编程为非晶态，首先需要将相变材料加热到熔点，然后迅速淬火。这个过程导致原子成为长程无序状态，在PCM单元内形成一个非晶区域。因此，顶部电极和底部电极之间的区域表现出高电阻。这种“窄而高”的电流脉冲称为RESET操作。

图2 PCM单元中的SET和RESET操作脉冲及其对材料温度的依赖性。Tmelt是熔化温度，Tcryst是结晶温度

文章在分析了传统PCM编程电路编程电流脉冲上升时间缓慢的原因后，提出了两种解决方案：（a）通过提高参考电流来加快充电速度，以及（b）将编程驱动电路的控制从SETEN/RESEN更改为WE控制。

使用SMIC 40 nm标准CMOS技术和PCM工艺设计的速度优化的PCM编程电路模块如图3所示。在该设计中，参考生成电路为电流镜隔离电路提供参考电压，振荡器为脉冲控制电路生成时钟信号，电流镜隔离电路在电流镜切换电路的控制下为电流源电路提供偏置，脉冲控制电路调节电流源电路产生的电流脉冲的幅度、持续时间、步数和步长，编程驱动电路根据电流镜隔离电路提供的偏置和脉冲控制电路的控制信号生成相应的编程电流脉冲。

图3 速度提升的PCM编程电路模块

PCM通过类似于SRAM的异步接口与处理器相连。PCM编程电路的时序仿真如图4所示。芯片使能（CE）是一个低电平有效信号。当CE为低电平时，存储器启动新的存储器访问过程，所有地址在CE的下降沿被内部锁存。写使能（WE）也是一个低电平有效信号。当WE有效时，芯片能够将数据编程到PCM阵列中。数据输入/输出（DIO）是一个16位数据总线。当DIO为高电平时，编程电路向PCM阵列注入五步线性斜坡SET脉冲电流，编程逻辑“1”。相反，当DIO为低电平时，编程电路向PCM阵列注入RESET脉冲电流，编程逻辑“0”。

图4 PCM编程电路的时序仿真。SET斜坡脉冲电流的幅度为370.8μA，RESET脉冲电流的振幅为423.3μA

如图5所示，改进后的电路SET脉冲上升时间从29.6 ns降至7.3ns，RESET脉冲从13.6ns降至3.1ns。

图5 用于传统PCM编程电路和具有更高速度的编程电路的SET和RESET编程电流脉冲

如图6所示，改进后的电路在SET和RESET编程后，相变单元的编程一致性更好，SET操作后电阻值标准偏差从传统电路的0.0292降至0.0267、RESET操作后从0.1247降至 0.1005。

图6 10 000个编程周期后PCM阵列中相变单元的电阻分布

该研究解决了传统 PCM 编程电路开机首次编程脉冲上升时间慢的问题，改进后的电路上升时间显著加快，编程一致性更好，功耗更低，为 PCM 在超快编程、多层存储和高密度存储领域的应用提供了基础。

基金支持

该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院青年创新促进会、中国科学院战略性先导科技专项、上海市青年科技启明星项目以及集成电路材料全国重点实验室自主课题的支持。