相變存儲器中的單元狀態確定制造技術

本發明專利技術提供用于確定相變存儲器單元的狀態的方法和裝置。對單元進行多個測量，測量依賴于單元的亞閾值電流比對電壓特性。處理測量以獲得依賴于電流比對電壓特性的斜率的度量。然后根據不同于絕對單元電阻、基本上不受漂移影響的這一度量確定單元的狀態。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術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。
技術介紹
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O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I。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O而低阻測量指示二進制I。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?？梢允褂?3nm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(Arrheniusrelation)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。
技術實現思路
本專利技術一個方面的一個實施例提供一種用于確定相變存儲器單元的狀態的方法。該方法包括進行依賴于單元的亞閾值電流比對電壓特性的多個測量；處理測量以獲得依賴于所述電流比對電壓特性的斜率的度量；并且根據所述度量確定單元的狀態。在本專利技術的一些實施例中，運用如下度量，該度量依賴于單元的亞閾值電流比對電壓(Ι/v)特性的斜率，即在閾值切換電壓以下的I/V特性斜率。亞閾值I/V特性的斜率依賴于電阻微分(即電阻導數)、但是不依賴于任何絕對電阻值。盡管單元電阻如上文討論的那樣隨著時間顯著變化，但是在亞閾值范圍中Ι/v特性的斜率保持隨著時間幾乎不變。這是因為亞閾值Ι/v斜率是單元內的非晶態相的有效體積的函數。有效非晶態體積又是單元狀態的良好測量并且尤其地是不受漂移影響的測量，因為已知漂移不影響非晶態相的幾何形狀(假設漂移歸因于非晶態相內的缺陷湮滅、但是不影響總非晶態體積)。體現本專利技術的一些方法利用亞閾值I/V斜率以獲得基本上不隨著漂移變化的單元狀態度量。具體而言，在本專利技術的一些實施例中使用的度量基本上不受漂移影響，即它除了不可避免的噪聲波動之外保持隨著時間基本上恒定。由于亞閾值Ι/v斜率是單元內的有效非晶態體積的函數，并且因此是單元狀態測量的函數，所以繼而前述度量也是單元狀態的特性并且因此可以用來在MLC PCM中的不同狀態之間區分。如下文進一步描述的那樣，對實際PCM單元陣列的實驗結果示范這一陳述的有效性和這一度量作為單元狀態測量的效率。因此，通過使用描述的度量，本專利技術的一些實施例提供用于以取回的信息不受漂移影響的方式確定PCM單元的狀態的方法。根據本專利技術一些實施例的方法可以不關于漂移性質本身進行任何假設，并且可以不造成用戶存儲容量的內在損失。本專利技術的一些實施例因此可以提供改進用于PCM陣列的單元狀態確定從而總體上促進增強的MLC能力和PCM器件的高效操作。前述度量可以用多種方式根據這一斜率直接或者間接依賴于亞閾值I/V特性的斜率。要點在于度量以某一方式與亞閾值Ι/v斜率有關，并且因此不直接依賴于單元的絕對電阻，后者如上文討論的那樣受漂移影響。換而言之，根據本專利技術的一些實施例，可以基于獨立或者基本上獨立于絕對單元電阻的度量確定PCM單元狀態。根據本專利技術的一些實施例，為了推導度量，對單元進行至少兩個測量，這些測量(直接或者間接)依賴于亞閾值I/V斜率。如下文進一步描述的那樣，可以進行多于兩個測量以允許平均并且提高精確性。然后可以用多種方式處理所得測量以獲得用來評價單元狀態的最終度量。例如，一些實施例可以包括以不同單元偏置電壓進行單元電流的多個測量，度量依賴于以不同偏置電壓測本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2010.08.31 EP 10174613.91.一種用于確定相變存儲器單元的狀態的方法，所述方法包括: 進行依賴于所述單元的亞閾值電流比對電壓特性的多個測量； 處理所述測量以獲得依賴于所述電流比對電壓特性的斜率的度量；并且 根據所述度量確定所述單元的狀態。2.如權利要求1所述的方法，用于確定s級相變存儲器單元的狀態，其中s> 2，所述方法包括通過將所述度量與指示所述單元的所述s級的多個參考值進行比較來確定所述單元的狀態。3.如權利要求1或者2所述的方法，包括在不同單元偏置電壓進行單元電流的多個測量，其中所述度量依賴于在所述不同偏置電壓處的所測量的單元電流的函數的差值。4.如權利要求1或者2所述的方法，包括針對所述不同的施加單元電流進行跨越所述單元的電壓的多個測量，其中所述度量依賴于在所述不同的施加電流處的所測量的單元電壓的函數的差值。5.如權利要求1或者2所述的方法，包括在所述電流比對電壓特性上的不同點處進行單元電阻的多個測量，其中所述度量依賴于在所述不同點處的所測量的單元電阻的函數的差值。6.如權利要求3至5中的任一權利要求所述的方法，其中所述測量值的函數包括該值的對數。7.如任一前述權利要求所述的方法，其中所述度量依賴于所述單元中的有效非晶態厚度(Ua)。8.如權利要求7所述的方法，其中所述度量包括所述單元中的有效非晶態厚度(Ua)的估計。9.如任一前述權利要求所述的方法，進行多于兩個的所述測量，其中所述處理包括平均化過...

【專利技術屬性】
技術研發人員：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，
類型：
國別省市：