相變存儲(chǔ)器的高可靠性多值存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

摘要：

基于相變存儲(chǔ)器(PCM) 已有的2T2R 結(jié)構(gòu)，提出一種以比值為導(dǎo)向的狀態(tài)定義方法，以實(shí)現(xiàn)2T2R 結(jié)構(gòu)下PCM 的多值存儲(chǔ)。它在相變電阻具有4 態(tài)可編寫的能力下，可以實(shí)現(xiàn)單元內(nèi)8 態(tài)存儲(chǔ)，同時(shí)對(duì)小尺寸驗(yàn)證，而對(duì)PCM 存儲(chǔ)電路的優(yōu)化將使得PCM 更具競(jìng)爭(zhēng)力。同樣基于這種以比值為導(dǎo)向的狀態(tài)定義，一種軟硬件相結(jié)合的新型糾錯(cuò)碼方法使得對(duì)全部數(shù)據(jù)位的錯(cuò)誤監(jiān)測(cè)成為可能。

引言

相變存儲(chǔ)器( PCM) 是一種新型的非揮發(fā)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，它的存儲(chǔ)基于硫系化合物材料( 如Ge2Sb2Te5 ，GST) 在電流脈沖下出現(xiàn)的快速相變。 在PCM 中，相變存儲(chǔ)材料以電阻的形式出現(xiàn)，其機(jī)理在于:相變材料可以在特定脈沖下，在具有兩種不同結(jié)構(gòu)、不同電阻率的狀態(tài)間相互轉(zhuǎn)化。這兩種狀態(tài)是高電阻率的非晶態(tài)和低電阻率的多晶態(tài)。 利用電阻的差別區(qū)分兩種邏輯狀態(tài)“0”和“1”是傳統(tǒng)PCM 的核心。對(duì)比其他的非揮發(fā)存儲(chǔ)技術(shù)，PCM 具有很多優(yōu)勢(shì)，如:與CMOS 工藝兼容性好，單元面積小，存儲(chǔ)密度高等。另外，相變材料可以被編寫成阻值介于完全多晶態(tài)和完全非晶態(tài)之間的多種狀態(tài)，且這些狀態(tài)在靜態(tài)下的保持均無(wú)需任何激勵(lì)。 這意味著多值存儲(chǔ)在PCM 中將成為可能。 隨著特征尺寸的減小，PCM 中的相變材料因體積縮小，相變時(shí)所需的電流、時(shí)間和所占的面積都會(huì)同步下降，這使得PCM 在向小尺寸邁進(jìn)時(shí)競(jìng)爭(zhēng)力會(huì)不斷凸現(xiàn)。

圖1 　1T1R 陣列

尺寸減小固然可以降低操作電流，但工藝波動(dòng)更加不可忽視，這將使相變電阻的幾何尺寸發(fā)生一定的偏差。在小尺寸下，偏差引發(fā)的幾何尺寸及電阻的相對(duì)變化量可能會(huì)很大，尤其是在芯片面積很大，芯片各個(gè)位置上干擾不同時(shí)。最終將使得兩種邏輯狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的電阻范圍分布得越來(lái)越發(fā)散，進(jìn)而導(dǎo)致兩種邏輯狀態(tài)間的電阻間距不斷縮小。這意味著系統(tǒng)噪聲容限的降低，外圍靈敏放大器( SenseAmplifier ，S/A) 和參考源的選用標(biāo)準(zhǔn)也將不斷提高。

對(duì)于目前的PCM ，主要有兩種結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)單元:1T1R(即1個(gè)晶體管和1 個(gè)PCR 構(gòu)成1 個(gè)存儲(chǔ)單元，如圖1) 的結(jié)構(gòu)，和2T2R (存儲(chǔ)單元由2 個(gè)晶體管和2 個(gè)相變電阻(phase changeresistor ，PCR) 構(gòu)成) 的結(jié)構(gòu)。 其中，BL 為位線，WL 為字線，以下同。 1T1R 單元面積小，存儲(chǔ)密度高，但需外接參考源(如圖1中的V ref) 以實(shí)現(xiàn)2 種邏輯狀態(tài)(“0”和“1”) 的區(qū)分。 在小尺寸下，2 種邏輯狀態(tài)對(duì)應(yīng)的電阻范圍越接近，較弱的抗干擾能力就越發(fā)突出，1T1R 對(duì)S/A 和參考源的要求就越苛刻。 2T2R利用2 個(gè)1T1R 結(jié)構(gòu)形成雙位線互補(bǔ)對(duì)稱輸出，無(wú)需參考源。 由于作用在同一單元內(nèi)2個(gè)PCR 上的外界干擾近似相同，其結(jié)果等效于在S/A 的兩輸入端施加共模信號(hào)，因而對(duì)存儲(chǔ)信息幾乎無(wú)影響。 因此，可靠性很高，但存儲(chǔ)密度遠(yuǎn)低于1T1R 方案。

據(jù)我們所知，目前還沒(méi)有一種結(jié)構(gòu)可以同時(shí)吸取這兩者的優(yōu)點(diǎn)。 為此，提出一種新方案，在具備較好的抗干擾能力下追求高密度存儲(chǔ)。該新方案基于一種新方法———以比值為導(dǎo)向的狀態(tài)定義方法，使用2T2R結(jié)構(gòu)，在保證很高的抗干擾能力的前提下，通過(guò)單元內(nèi)的多值存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)密度的大幅提升。 同樣基于這種狀態(tài)定義，提出一種軟硬結(jié)合的ECC 方法。

新方案的提出和實(shí)現(xiàn)有賴于兩個(gè)因素:第一，PCR 要具備多值編寫的特性。 這一點(diǎn)，在Ovshinsky 的專利中首先得到證實(shí)，相關(guān)文獻(xiàn)也有報(bào)道。第二，相變材料要有一個(gè)較大的電阻變化的動(dòng)態(tài)范圍。 很多文獻(xiàn)已經(jīng)表明:相變前后電阻率的差別達(dá)到100～1 000 倍，這無(wú)論是對(duì)于此處新方案中獨(dú)特的狀態(tài)定義方法還是新型的ECC ，都是足夠的。

以比值為導(dǎo)向的狀態(tài)定義和PCM 的多值存儲(chǔ)

在基于2T2R 結(jié)構(gòu)的新方案中，同一單元內(nèi)的2 個(gè)PCR 電阻的比值決定該單元存儲(chǔ)信息的狀態(tài)。而相變材料本身巨大的電阻動(dòng)態(tài)范圍給同一單元(2T2R) 內(nèi)2 個(gè)PCR 的電阻比提供了一個(gè)“寬敞”的一維比值空間(one-dimensional ratio space ，ODRS) 。這個(gè)空間可被劃分為多個(gè)區(qū)間，用以表示多種不同的狀態(tài)。 以每個(gè)2T2R 單元存儲(chǔ)3 位2 進(jìn)制數(shù)(即8 態(tài)) 為目標(biāo)，阻值比要有8 種不同值(或不同范圍) ，要求每個(gè)PCR能夠被編寫為4 種不同阻值范圍的狀態(tài)，即R1 ，R2 ，R3 ，R4 ，其中R1 R2 R3 R4 。 每個(gè)PCR 都有4種可能的狀態(tài)，對(duì)應(yīng)4 種電阻范圍，而2 個(gè)PCR 的阻值比有多種情況。 這里，取如下的8 種阻值比代表8 態(tài)為例，實(shí)現(xiàn)每單元3 位二進(jìn)制信息的存儲(chǔ)。 這8 種阻值比是: R1/R4 ，R2/R4 ，R1/R3 ，R1/R2 ，R2/R1 ，R3/R1 ，R4/R2 和R4/R1 ，如圖2 所示。 各種狀態(tài)的區(qū)間由7 個(gè)預(yù)先設(shè)定的邊界數(shù)(1 ，a ，b ，c ，1/a ，1/b ，1/c) 進(jìn)行劃分。

圖2 　一維比值空間內(nèi)8 態(tài)的定義和區(qū)分

圖3 　存儲(chǔ)單元及外圍讀電路

圖3 是新方案下2T2R 結(jié)構(gòu)和外圍讀電路的示意圖。 BS 信號(hào)打開選定的位線，同時(shí)保證讀操作時(shí)相同的位線電壓。 電流驅(qū)動(dòng)模塊產(chǎn)生與PCR上流過(guò)電流等同的電流Ik 和I k+1以供S/A 比較。 外圍讀電路包括電流驅(qū)動(dòng)模塊和7 個(gè)并行的S/A 以及輸出組合邏輯部分等。 7 個(gè)并行S/A 將選中單元中2 個(gè)PCR 的電阻阻值比與圖2 的7 個(gè)邊界數(shù)進(jìn)行比較。 對(duì)應(yīng)結(jié)果如表1 所示。

在表1 中，A n ( n = 0～6) 代表每個(gè)S/A 的比較結(jié)果，IRx ( x = 1～4) 則是相變電阻Rx 上流過(guò)的電流。 相同電壓下，電流比I Rx∶IRy ( x ，y = 1～4)反映了同一單元內(nèi)2 個(gè)電阻的阻值比。 在表1 中，當(dāng)IRx 小于m 倍的IRy時(shí)，比較結(jié)果為“0”，反之為“1”。 例如，當(dāng)A 0～ A 6 是“0000000”時(shí)，A 1～ A 6的“000000”意味著電流比Ik/Ik+1小于a 且其倒數(shù)I k+1/Ik 也小于a。 符合這個(gè)條件的只有: R2/R1 或R1/R2 (這里假設(shè)連接奇數(shù)位線的電阻阻值作分子，連接偶數(shù)位線的作分母，以下同) 。 而A 0 為“0”意味著連接奇數(shù)位線的