[發明專利]相變存儲器中的單元狀態確定

有效

• 申請號: 201180042043.0
• 申請日: 2011-08-26
• 公開（公告）號: CN103081018A
• 公開（公告）日: 2013-05-01
• 發明（設計）人: E·S·埃里弗塞里烏;A·潘塔齊;N·帕潘德雷烏;C·伯津迪斯;A·塞巴斯蒂安
• 申請（專利權）人: 國際商業機器公司
• 主分類號: G11C13/00
• 分類號: G11C13/00
• 代理公司: 北京市金杜律師事務所 11256
• 代理人: 酆迅;張寧

技術領域

本發明主要地涉及相變存儲器，并且更具體地涉及用于確定相變存儲器單元的狀態的方法和裝置。

背景技術

相變存儲器(PCM)是利用某些硫族化物材料在具有不同導電率的至少兩個狀態之間的可逆切換的新型非易失性固態存儲器技術。PCM快速、具有很好留置和耐久屬性并且已經表明升級至將來光刻節點。出于這些原因而認為它有潛力備選或者補充如今的主流存儲器和存儲應用中的閃存。

在商業上可用的PCM器件中，可以通過施加熱將基本存儲單位(“單元”)設置成晶態和非晶態這兩個狀態之一。在代表二進制0的非晶態狀態中，單元的電阻高。硫族化物材料在加熱至它的結晶點以上的溫度然后冷卻時被變換成導電晶態狀態。這一低阻狀態代表二進制1。如果然后將單元加熱至硫族化物熔點以上的高溫，則硫族化物材料在迅速冷卻時恢復至它的非晶態狀態。為了向PCM單元寫入數據，向單元施加電壓或者電流脈沖以將硫族化物材料加熱至適當溫度以在冷卻之后引起希望的單元狀態。為了讀取單元，使用單元電阻作為度量來確定單元的狀態。通過將單元偏置于某一恒定電壓電平并且測量流過它的電流或者通過傳遞恒定電流并且測量跨越單元形成的電壓來測量單元電阻。在單元的電流比電壓特性的亞閾值(sub-threshold)區域中(即在閾值切換電壓(即硫族化物切換至傳導“接通”狀態時的電壓，電流可以在該狀態流過單元以通過焦耳加熱來加熱它，因此潛在地引起相變)以下的區域中)執行這一測量。在這一亞閾值范圍中，可以讀取單元而不影響單元狀態，高阻測量指示二進制0而低阻測量指示二進制1。

PCM變成主流的關鍵要求是使成本/位降至與MLC閃存技術競爭的水平的多級單元(MLC)能力。多級存儲器單元可以被設置成s個不同電阻級，其中s＞2，因此允許每個單元存儲多于一個的位。例如NOR閃存可以每個單元存儲四級，即兩位。可以使用43nm工藝技術來每單個閃存單元存儲四位數據(即十六級)的MLC?NAND閃存芯片當前可用。在PCM單元中，通過利用硫族化物單元的部分非晶態狀態來實現MLC操作。可以通過變化硫族化物材料內的非晶態狀態的有效體積來設置不同單元級。這繼而變化單元電阻。雖然商業上可用的PCM芯片當前每個單元存儲僅一位，但是已經在實驗上示范PCM芯片中每個單元存儲四位。

PCM器件中的問題是稱為短期電阻漂移或者結構馳豫的物理現象，該現象經常簡稱為“漂移”。這一問題在MLC器件中尤其顯著并且給PCM中的可靠MLC能力帶來顯著技術障礙。認為結構馳豫歸因于相變材料的非晶態相中的局部原子重排，從而影響它們的導電率。具體而言，MLC?PCM中的在非晶態狀態或者在部分非晶態狀態編程的PCM單元的電阻在時間上向上移位并且也受溫度影響。因此，觀測在不同時間瞬間測量的單元電阻按照隨著時間增加而增加的趨勢波動。對這一電阻移位有貢獻的事件在性質和出現時間上是隨機的，因此很難預測和減輕。由于電阻移位，因此與不同單元狀態(在活躍體積內的非晶態/晶態材料相的配置)對應的不同電阻級可以在隨機時間瞬間相互重疊，從而造成單元狀態確定的隨機錯誤。

已經提出許多技術以解決電阻移位問題。一種技術涉及到使用參考單元，其中出于漂移減輕的目的而保留儲存器單元總體的某一部分。將這些參考單元中的每個參考單元編程至特定單元狀態，并且按照規律間隔監視這些單元的電阻以觀測用于其它單元(即用于實際用戶數據存儲的單元)的電阻漂移的估計。然后，以獲得無漂移影響的電阻級為目的，從對用戶單元的測量去除估計的漂移。這樣的基于參考級的漂移抵消的效果主要依賴于相似單元的狀態表現相似漂移特性的假設。然而在不可避免地存在顯著單元間可變性(由在更小單元尺度增加的過程變化引起)和單元內參數變化(主要由材料變化引起)時，這一假設的有效性值得懷疑從而導致有缺陷的漂移抵消。

漂移加速是用于應對漂移的另一提議。在對存儲器單元編程期間(或者之后)，在某一(足夠低)溫度對單元退火一段時間，以由此根據阿列紐斯關系(Arrhenius?relation)加速漂移影響。假設單元電阻在退火之后未顯著漂移。實驗尚未充分證實這一方式的有效性。另外由于熱激活相變現象，所以單元退火可能導致不期望的單元狀態擾動。

也已經提出編碼技術以應對漂移。這里，沒有單獨地而是在單元塊(碼字)中編程和讀取存儲器單元。在這些碼字中添加的冗余性旨在使碼字不受漂移影響，并且提供在解碼時無錯誤取回信息。盡管漂移編碼可以是潛在強大技術，但是它的有效性通常隨著所用代碼的冗余性而伸縮。更高冗余性不利于可用于存儲實際用戶數據的存儲器容量。通常僅容許最少冗余性，并且這可能減少代碼在應對漂移時的有效性。

發明內容