OTS-PRAM의 OTS 스냅백 전류 보호를 위한 Discharge-Path기반의 센싱 회로

Abstract

본 논문에서는 OTS Phase-charge Random Access Memory (OTS-PRAM)의 Ovonic Threshold Switch (OTS) snapback 전류로 인한 데미지를 줄이는 Discharge-path 회로를 설계하였다. X-point 구조의 PCM (Phase-change Memory) 에서는, PCM셀의 센싱 과정에서 생기는 누설 전류문제를 해결하고 sensitivity를 높이기 위해 선택소자로 OTS소자를 사용한다. OTS소자를 사용함으로서 OTS상변화 과정에서 발생하는 스냅백 전류가 PCM소자에 데미지를 주고 읽기 성능에 악 영향을 끼치는데, 본 논문에서는 이를 해결하기 위해 새로운 센싱 방법으로 Discharge-path 회로를 제안하고, PCM에 가해지는 데미지를 줄이고자 하였다. 또한, Gate-Coupled PMOS (GCPMOS)와 피드포워드방식을 사용한 Current mirror회로를 설계하여, PCM에 가해지는 에너지의 최댓값을 감소시켰다. Discharge-path 회로와 GCPMOS, Current mirror는 180nm공정을 사용하여 설계하였으며, 0.19m2의 면적을 차지한다. 칩 제작 후 측정된 결과에서, Discharge-path 회로는 기존의 센싱 회로에 비해 PCM에 가해지는 에너지의 양을 20%감소시켰고, GCPMOS가 추가된 Discharge-path회로는 전체적인 에너지 소모를 8%감소시켰다, 그리고 피드포워드 Current mirror가 추가된 Discharge-path회로는 PCM전류의 최댓값을 1%, 전체적인 에너지 소모를 33%감소시켰다.|A discharge-path-based sensing circuit is proposed to reduce the damage caused by an ovonic threshold switch (OTS) snapback current to a phase-change memory (PCM). OTS devices are used as access devices (selectors) in most PCM systems to increase the sensitivity and resolve the leakage current problem that occurs during sensing of the PCM cell. Snapback current, which occurs during an OTS phase change by using the OTS device, causes damage to the PCM device and deteriorates the read performance; thus, this study proposes a discharge path circuit as a new sensing method to reduce the damage inflicted on the PCM. In addition, a gate-coupled PMOS (GCPMOS) and a current mirror using a feed-forward technique are designed to reduce the peak value of the energy applied to the PCM. The discharge path circuit, GCPMOS, and the current mirror are designed in a 180-nm CMOS process and occupy an area of 0.19-mm 2 . The measurement results after fabrication show that, compared to the conventional sense amplifier based scheme, the discharge path circuit reduces the amount of energy applied to the PCM by 20%, and the discharge path circuit with the GCPMOS reduces the total energy consumption by 28%. Furthermore, the discharge path circuit with a feed-forward current mirror reduces the initial peak level of the PCM current by 30% and the total energy consumption by 45%. The proposed sensing circuit is the first snapback protection circuit reported to the public domain.