相變存儲器的高可靠性多值存儲設計

摘要：

基于相變存儲器(PCM) 已有的2T2R 結構，提出一種以比值為導向的狀態(tài)定義方法，以實現(xiàn)2T2R 結構下PCM 的多值存儲。它在相變電阻具有4 態(tài)可編寫的能力下，可以實現(xiàn)單元內8 態(tài)存儲，同時對小尺寸驗證，而對PCM 存儲電路的優(yōu)化將使得PCM 更具競爭力。同樣基于這種以比值為導向的狀態(tài)定義，一種軟硬件相結合的新型糾錯碼方法使得對全部數(shù)據(jù)位的錯誤監(jiān)測成為可能。

引言

相變存儲器( PCM) 是一種新型的非揮發(fā)半導體存儲器，它的存儲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，相變存儲材料以電阻的形式出現(xiàn)，其機理在于:相變材料可以在特定脈沖下，在具有兩種不同結構、不同電阻率的狀態(tài)間相互轉化。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。對比其他的非揮發(fā)存儲技術，PCM 具有很多優(yōu)勢，如:與CMOS 工藝兼容性好，單元面積小，存儲密度高等。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)下的保持均無需任何激勵。 這意味著多值存儲在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，相變時所需的電流、時間和所占的面積都會同步下降，這使得PCM 在向小尺寸邁進時競爭力會不斷凸現(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變化量可能會很大，尤其是在芯片面積很大，芯片各個位置上干擾不同時。最終將使得兩種邏輯狀態(tài)所對應的電阻范圍分布得越來越發(fā)散，進而導致兩種邏輯狀態(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) 和參考源的選用標準也將不斷提高。

對于目前的PCM ，主要有兩種結構的存儲單元:1T1R(即1個晶體管和1 個PCR 構成1 個存儲單元，如圖1) 的結構，和2T2R (存儲單元由2 個晶體管和2 個相變電阻(phase changeresistor ，PCR) 構成) 的結構。 其中，BL 為位線，WL 為字線，以下同。 1T1R 單元面積小，存儲密度高，但需外接參考源(如圖1中的V ref) 以實現(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)對應的電阻范圍越接近，較弱的抗干擾能力就越發(fā)突出，1T1R 對S/A 和參考源的要求就越苛刻。 2T2R利用2 個1T1R 結構形成雙位線互補對稱輸出，無需參考源。 由于作用在同一單元內2個PCR 上的外界干擾近似相同，其結果等效于在S/A 的兩輸入端施加共模信號，因而對存儲信息幾乎無影響。 因此，可靠性很高，但存儲密度遠低于1T1R 方案。

據(jù)我們所知，目前還沒有一種結構可以同時吸取這兩者的優(yōu)點。 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。該新方案基于一種新方法———以比值為導向的狀態(tài)定義方法，使用2T2R結構，在保證很高的抗干擾能力的前提下，通過單元內的多值存儲實現(xiàn)存儲密度的大幅提升。 同樣基于這種狀態(tài)定義，提出一種軟硬結合的ECC 方法。

新方案的提出和實現(xiàn)有賴于兩個因素:第一，PCR 要具備多值編寫的特性。 這一點，在Ovshinsky 的專利中首先得到證實，相關文獻也有報道。第二，相變材料要有一個較大的電阻變化的動態(tài)范圍。 很多文獻已經表明:相變前后電阻率的差別達到100～1 000 倍，這無論是對于此處新方案中獨特的狀態(tài)定義方法還是新型的ECC ，都是足夠的。

以比值為導向的狀態(tài)定義和PCM 的多值存儲

在基于2T2R 結構的新方案中，同一單元內的2 個PCR 電阻的比值決定該單元存儲信息的狀態(tài)。而相變材料本身巨大的電阻動態(tài)范圍給同一單元(2T2R) 內2 個PCR 的電阻比提供了一個“寬敞”的一維比值空間(one-dimensional ratio space ，ODRS) 。這個空間可被劃分為多個區(qū)間，用以表示多種不同的狀態(tài)。 以每個2T2R 單元存儲3 位2 進制數(shù)(即8 態(tài)) 為目標，阻值比要有8 種不同值(或不同范圍) ，要求每個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PCR 都有4種可能的狀態(tài)，對應4 種電阻范圍，而2 個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，實現(xiàn)每單元3 位二進制信息的存儲。 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 個預先設定的邊界數(shù)(1 ，a ，b ，c ，1/a ，1/b ，1/c) 進行劃分。

圖2 　一維比值空間內8 態(tài)的定義和區(qū)分

圖3 　存儲單元及外圍讀電路

圖3 是新方案下2T2R 結構和外圍讀電路的示意圖。 BS 信號打開選定的位線，同時保證讀操作時相同的位線電壓。 電流驅動模塊產生與PCR上流過電流等同的電流Ik 和I k+1以供S/A 比較。 外圍讀電路包括電流驅動模塊和7 個并行的S/A 以及輸出組合邏輯部分等。 7 個并行S/A 將選中單元中2 個PCR 的電阻阻值比與圖2 的7 個邊界數(shù)進行比較。 對應結果如表1 所示。

在表1 中，A n ( n = 0～6) 代表每個S/A 的比較結果，IRx ( x = 1～4) 則是相變電阻Rx 上流過的電流。 相同電壓下，電流比I Rx∶IRy ( x ，y = 1～4)反映了同一單元內2 個電阻的阻值比。 在表1 中，當IRx 小于m 倍的IRy時，比較結果為“0”，反之為“1”。 例如，當A 0～ A 6 是“0000000”時，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。 符合這個條件的只有: R2/R1 或R1/R2 (這里假設連接奇數(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