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DE112011102156B4 - Cell state determination in phase change storage - Google Patents

Cell state determination in phase change storage

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Publication number
DE112011102156B4
DE112011102156B4 DE112011102156.9T DE112011102156T DE112011102156B4 DE 112011102156 B4 DE112011102156 B4 DE 112011102156B4 DE 112011102156 T DE112011102156 T DE 112011102156T DE 112011102156 B4 DE112011102156 B4 DE 112011102156B4
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DE
Germany
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cell
state
current
measure
measurements
Prior art date
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DE112011102156.9T
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German (de)
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DE112011102156T5 (en
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Evangelos S. Eleftheriou
Angeliki Pantazi
Nikolaos Papandreou
Charalampos Pozidis
Abu Sebastian
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International Business Machines Corp
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Publication date
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Publication of DE112011102156B4 publication Critical patent/DE112011102156B4/en
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Abstract

Verfahren zum Ermitteln des Zustands einer Phasenwechselspeicherzelle mit einer nichtlinearen unterschwelligen Strom/Spannungs-Kennlinie, wobei das Verfahren aufweist:
Durchführen einer Vielzahl von von der nichtlinearen unterschwelligen Strom/Spannungs-Kennlinie der Zelle abhängigen Messungen;
Verarbeiten der Messwerte mittels Differenzen (log R1 - log R2), um eine Maßzahl zu erhalten, welche von der Steigung der Strom/Spannungs-Kennlinie abhängig und vom absoluten Zellenwiderstand unabhängig ist; und
Ermitteln des Zustands der Zelle in Abhängigkeit von der Maßzahl.
A method for determining the state of a phase change memory cell having a non-linear sub-threshold current/voltage characteristic, the method comprising:
Performing a variety of measurements dependent on the non-linear sub-threshold current/voltage characteristic of the cell;
Processing the measured values using differences (log R 1 - log R 2 ) to obtain a measure which depends on the slope of the current/voltage characteristic and is independent of the absolute cell resistance; and
Determine the state of the cell depending on the measurement value.

Description

Diese Erfindung betrifft allgemein Phasenwechselspeicher und insbesondere Verfahren und Vorrichtungen zum Ermitteln des Zustands von Phasenwechselspeicherzellen.This invention relates generally to phase change memories and, more particularly, to methods and apparatus for determining the state of phase change memory cells.

Bei Phasenwechselspeichern (PCM - phase-change memory) kommt eine neue Technologie nichtflüchtiger Festkörperspeicher zum Tragen, welche das umkehrbare Wechseln bestimmter Chalkogenid-Materialien zwischen mindestens zwei Zuständen mit unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit nutzt. PCMs sind schnell, haben sehr gute Halte- und Langzeiteigenschaften und erwiesen sich als an die zukünftigen Lithographieknoten anpassbar. Aus diesen Gründen geht man davon aus, dass sie das Potential haben, Flashspeicher in den heute vorherrschenden Speicher- und Speicherungsanwendungen entweder zu ersetzen oder zu ergänzen.Phase-change memory (PCM) is a new non-volatile solid-state memory technology that utilizes the reversible switching of certain chalcogenide materials between at least two states with different electrical conductivity. PCMs are fast, have excellent retention and long-life properties, and have proven adaptable to future lithography nodes. For these reasons, they are believed to have the potential to either replace or complement flash memory in today's prevalent memory and storage applications.

In handelsüblichen PCM-Einheiten kann die elementare Speichereinheit (die „Zelle“) durch Anwendung von Wärme auf einen von zwei Zuständen, kristallin oder amorph, gesetzt werden. Im amorphen Zustand, welcher eine binäre 0 darstellt, ist der elektrische Widerstand der Zelle hoch. Wenn das Chalkogenid-Material auf eine Temperatur über seinem Kristallisationspunkt erhitzt und dann abgekühlt wird, wird es in einen elektrisch leitfähigen, kristallinen Zustand umgewandelt. Dieser niederohmige Zustand stellt eine binäre 1 dar. Wenn die Zelle dann auf eine hohe Temperatur über dem Chalkogenid-Schmelzpunkt erhitzt wird, kehrt das Chalkogenid-Material bei schneller Abkühlung in seinen amorphen Zustand zurück. Um Daten in eine PCM-Zelle zu schreiben, wird ein Spannungs- oder Stromimpuls an die Zelle angelegt, um das Chalkogenid-Material auf eine geeignete Temperatur zu erwärmen, um den gewünschten Zellenzustand nach dem Abkühlen herbeizuführen. Um eine Zelle zu lesen, wird der Zustand der Zelle unter Verwendung des Zellenwiderstands als Maßzahl ermittelt. Der Zellenwiderstand wird entweder dadurch ermittelt, dass die Zelle mit einem bestimmten konstanten Spannungswert vorgespannt und der Strom gemessen wird, der durch sie hindurchfließt, oder durch Durchleiten eines konstanten Stroms und Messen der über der Zelle entstehenden Spannung. Diese Messung erfolgt im unterschwelligen Bereich der Strom/Spannungs-Kennlinie der Zelle, d.h. im Bereich unter der Schwellen-Schaltspannung (d.h. der Spannung, bei welcher das Chalkogenid in einen leitfähigen „EIN“-Zustand wechselt, in welchem Strom durch die Zelle fließen kann, um sie durch Joulesche Erwärmung zu erwärmen und so möglicherweise einen Phasenwechsel herbeizuführen.) In diesem unterschwelligen Bereich kann die Zelle gelesen werden, ohne den Zellenzustand zu beeinflussen, wobei ein hochohmiges Messergebnis eine binäre 0 anzeigt und ein niederohmiges Messergebnis eine binäre 1 anzeigt.In commercially available PCM devices, the elementary storage unit (the "cell") can be set to one of two states, crystalline or amorphous, by applying heat. In the amorphous state, which represents a binary 0, the cell's electrical resistance is high. When the chalcogenide material is heated to a temperature above its crystallization point and then cooled, it is converted to an electrically conductive, crystalline state. This low-resistance state represents a binary 1. If the cell is then heated to a temperature above the chalcogenide melting point, the chalcogenide material returns to its amorphous state upon rapid cooling. To write data to a PCM cell, a voltage or current pulse is applied to the cell to heat the chalcogenide material to a suitable temperature to induce the desired cell state upon cooling. To read a cell, the cell's state is determined using the cell resistance as a measure. Cell resistance is determined either by biasing the cell with a constant voltage and measuring the current flowing through it, or by passing a constant current and measuring the resulting voltage across the cell. This measurement is performed in the sub-threshold region of the cell's current/voltage characteristic, i.e., below the threshold switching voltage (i.e., the voltage at which the chalcogenide enters a conductive "ON" state, allowing current to flow through the cell to Joule heat it and potentially cause a phase change). In this sub-threshold region, the cell can be read without affecting the cell state, with a high-resistance reading indicating a binary 0 and a low-resistance reading indicating a binary 1.

Entscheidend ist, dass sich PCMs am Markt nur in der Form von Mehrzustandszellen (MLC - multi-level cell) durchsetzen können, welche die Kosten pro Bit auf Werte senken kann, die mit der MLC-Flashspeicher-Technologie konkurrieren können. Mehrzustands-Speicherzellen können auf s verschiedene Widerstandswerte gesetzt werden, wobei s>2, und folglich die Speicherung von mehr als einem Bit pro Zelle gestatten. NOR-Flashspeicher zum Beispiel können vier Zustände, d.h. zwei Bits pro Zelle speichern. Gegenwärtig sind MLC-NAND-Flashspeicherchips in 43-nm-Prozesstechnologie erhältlich, die vier Datenbits (d.h. sechzehn Zustände) pro einzelner Flashzelle speichern können. In PCM-Zellen wird MLC-Betrieb durch Nutzung teilamorpher Zustände der Chalkogenidzelle erreicht. Unterschiedliche Zellenzustände werden durch Verändern des effektiven Volumens der amorphen Phase innerhalb des Chalkogenidmaterials gesetzt. Dies verändert wiederum den Zellenwiderstand. Obwohl handelsübliche PCM-Chips gegenwärtig nur ein Bit pro Zelle speichern, wurde experimentell bereits die Speicherung von vier Bits pro Zelle in PCM-Chips gezeigt.Crucially, PCMs can only gain market acceptance in the form of multi-state cells (MLCs), which can reduce the cost per bit to levels competitive with MLC flash memory technology. Multi-state memory cells can be set to s different resistance values, where s>2, and thus allow the storage of more than one bit per cell. NOR flash memory, for example, can store four states, i.e., two bits per cell. Currently, MLC NAND flash memory chips are available in 43 nm process technology, which can store four data bits (i.e., sixteen states) per single flash cell. In PCM cells, MLC operation is achieved by utilizing partially amorphous states of the chalcogenide cell. Different cell states are set by changing the effective volume of the amorphous phase within the chalcogenide material. This, in turn, changes the cell resistance. Although commercially available PCM chips currently only store one bit per cell, the storage of four bits per cell in PCM chips has already been demonstrated experimentally.

Ein Problem in PCM-Einheiten ist ein als Kurzzeit-Widerstandsdrift oder strukturelle Relaxation bekanntes physikalisches Phänomen, das häufig einfach als „Drift“ bezeichnet wird. Dieses Problem ist besonders in MLC-Einheiten von Bedeutung und stellt ein erhebliches technisches Hindernis dar, PCMs als MLCs auszubilden. Man geht davon aus, dass strukturelle Relaxation durch lokale Veränderungen der Atomanordnung in der amorphen Phase von Phasenwechsel-Materialien verursacht wird, welche deren elektrische Leitfähigkeit beeinflussen. Insbesondere nimmt der Widerstand einer PCM-Zelle, welche auf den amorphen Zustand oder teilamorphe Zustände in MLC-PCM programmiert ist, mit der Zeit zu, und er wird außerdem durch die Temperatur beeinflusst. Daher wird beobachtet, dass der zu verschiedenen Zeitpunkten gemessene Zellenwiderstand schwankt, wobei er mit fortschreitender Zeit einer steigenden Tendenz folgt. Die Ereignisse, welche zu dieser Widerstandsveränderung beitragen, sind in Art und Zeit ihres Auftretens stochastisch und folglich sehr schwierig vorherzusagen und zu mindern. Wegen der Widerstandsdrift können verschiedene Widerstandswerte, welche verschiedenen Zellenzuständen (Konfigurationen amorpher/kristalliner Materialphasen innerhalb des aktiven Volumens) entsprechen, einander zu zufälligen Zeitpunkten überlappen, was zufällige Fehler in der Ermittlung des Zellenzustands zur Folge hat.One problem in PCM devices is a physical phenomenon known as short-term resistance drift or structural relaxation, often simply referred to as "drift." This problem is particularly significant in MLC devices and represents a significant technical obstacle to designing PCMs as MLCs. Structural relaxation is thought to be caused by local changes in the atomic arrangement in the amorphous phase of phase-change materials, which affect their electrical conductivity. In particular, the resistance of a PCM cell programmed to the amorphous state or semi-amorphous states in MLC-PCMs increases over time and is also affected by temperature. Therefore, the cell resistance measured at different times is observed to fluctuate, following an increasing trend with time. The events contributing to this resistance change are stochastic in nature and timing of their occurrence and consequently very difficult to predict and mitigate. Due to resistance drift, different resistance values corresponding to different cell states (configurations of amorphous/crystalline material phases within the active volume) may overlap at random times, resulting in random errors in the determination of the cell state.

Eine Anzahl von Techniken wurde vorgeschlagen, um das Problem der Widerstandsdrift anzugehen. Eine Technik erfordert die Verwendung von Referenzzellen, wodurch ein bestimmter Teil der Speicherzellen-Gesamtheit zum Mindern der Drift vorbehalten ist. Jede dieser Referenzzellen wird auf einen bestimmten Zellenzustand programmiert, und der Widerstand dieser Zellen wird in regelmäßigen zeitlichen Abständen überwacht, um eine Schätzung der Widerstandsdrift für andere Zellen (d.h. die zur eigentlichen Benutzerdatenspeicherung verwendeten) zu erhalten. Die geschätzte Drift wird dann aus Messwerten an den Benutzerzellen entfernt, um von Drifteffekten freie Widerstandswerte zu erhalten. Die Wirksamkeit einer solchen auf Referenzzellen beruhenden Driftlöschung hängt stark von der Annahme ab, dass Zustände gleicher Zellen gleiche Drifteigenschaften aufweisen. Wegen des unweigerlichen Vorliegens merklicher Abweichungen zwischen den Zellen (verursacht durch Prozessschwankungen, welche bei kleineren Zellenabmessungen zunehmen) und Parameterschwankungen innerhalb der Zellen (hauptsächlich verursacht durch Materialschwankungen) ist die Gültigkeit dieser Annahme jedoch fraglich, was eine mangelhafte Driftlöschung zur Folge hat.A number of techniques have been proposed to address the problem of resistance drift. One technique requires the use of reference cells, whereby a specific portion of the memory cell array is reserved for drift mitigation. Each of these reference cells is programmed to a specific cell state, and the resistance of these cells is monitored at regular intervals to obtain an estimate of the resistance drift for other cells (i.e., those used for actual user data storage). The estimated drift is then removed from measured values of the user cells to obtain drift-free resistance values. The effectiveness of such reference-cell-based drift cancellation relies heavily on the assumption that states of similar cells have similar drift characteristics. However, due to the inevitable presence of significant cell-to-cell variances (caused by process variations, which increase with smaller cell dimensions) and parameter variations within cells (mainly caused by material variations), the validity of this assumption is questionable, resulting in inadequate drift cancellation.

Zum Thema Drift wird auch eine Driftbeschleunigung vorgeschlagen. Während des Programmierens (oder nach dem Programmieren) einer Speicherzelle wird die Zelle bei einer bestimmten (genügend niedrigen) Temperatur über einen Zeitraum getempert, um dadurch den Drifteffekt gemäß einer Arrhenius-Gleichung zu beschleunigen. Es wird angenommen, dass der Zellenwiderstand nach dem Tempern nicht merklich driftet. Die Wirksamkeit dieses Ansatzes wurde experimentell nicht hinreichend überprüft. Überdies kann das Tempern von Zellen, da das Phänomen des Phasenwechsels thermisch aktiviert wird, zu einer unerwünschten Störung des Zellenzustands führen.Regarding drift, drift acceleration has also been proposed. During (or after) programming a memory cell, the cell is annealed at a specific (sufficiently low) temperature for a period of time to accelerate the drift effect according to an Arrhenius equation. It is assumed that the cell resistance does not drift noticeably after annealing. The effectiveness of this approach has not been adequately verified experimentally. Furthermore, since the phase change phenomenon is thermally activated, annealing cells can lead to undesirable perturbation of the cell state.

Auch Codiertechniken wurden vorgeschlagen, um der Drift zu begegnen. Hierbei werden die Speicherzellen nicht einzeln, sondern in Blocks von Zellen (Codewörtern) programmiert und gelesen. In diesen Codewörtern hinzugefügte Redundanz bezweckt, Codewörter gegen Drift gefeit zu machen und beim Decodieren für fehlerfreien Informationsabruf zu sorgen. Während Driftcodierung eine potentiell leistungsstarke Technik sein kann, verändert sich ihre Wirksamkeit in der Regel mit der Redundanz des verwendeten Codes. Höhere Redundanz ist der zur Speicherung der eigentlichen Benutzerdaten verfügbaren Speicherkapazität abträglich. In der Regel wird nur eine minimale Redundanz toleriert, und dies kann die Wirksamkeit eines Codes beim Bekämpfen der Drift verringern.Coding techniques have also been proposed to combat drift. In these cases, memory cells are programmed and read in blocks of cells (codewords) rather than individually. Redundancy added to these codewords is intended to make codewords immune to drift and ensure error-free information retrieval during decoding. While drift coding can be a potentially powerful technique, its effectiveness typically varies with the redundancy of the code used. Higher redundancy detracts from the memory capacity available for storing the actual user data. Typically, only minimal redundancy is tolerated, and this can reduce the effectiveness of a code in combating drift.

Die DE 10 2009 050 746 A1 beschreibt ein Verfahren zum Multilevel-Lesen einer Phasenwechsel-Speicherzelle, bei welchem zuerst eine Bitleitung und eine PWS-Zelle ausgewählt werden, und eine erste Vorspannung an die ausgewählte Bitleitung angelegt wird. Ein erster Lesestrom, der durch die ausgewählte Bitleitung in Reaktion auf die erste Vorspannung fließt, wird mit einem ersten Referenzstrom verglichen. Der erste Referenzstrom ist derart, dass der erste Lesestrom kleiner ist als der erste Referenzstrom, wenn sich die ausgewählte PWS-Zelle in einem Reset-Zustand befindet, und anderenfalls größer. Es wird dann festgestellt, ob sich die ausgewählte PWS-Zelle im Reset-Zustand befindet, basierend auf dem Vergleichen des ersten Lesestroms mit dem ersten Referenzstrom. Eine zweite Vorspannung, die größer als die erste Vorspannung ist, wird an die ausgewählte Bitleitung angelegt, wenn sich die ausgewählte PWS-Zelle nicht im Reset-Zustand befindet.The DE 10 2009 050 746 A1 describes a method for multilevel reading of a phase-change memory cell, in which a bit line and a PWS cell are first selected, and a first bias voltage is applied to the selected bit line. A first read current flowing through the selected bit line in response to the first bias voltage is compared to a first reference current. The first reference current is such that the first read current is less than the first reference current when the selected PWS cell is in a reset state and greater otherwise. It is then determined whether the selected PWS cell is in the reset state based on comparing the first read current with the first reference current. A second bias voltage, greater than the first bias voltage, is applied to the selected bit line when the selected PWS cell is not in the reset state.

Die US 2010 / 0 182 827 A1 beschreibt ein elektronisches Gerät und Verfahren zum Programmieren für einen binären und mehrstufigen Speicherbetrieb. Das aktive Material des Geräts ist ein Phasenwechselmaterial. Das Verfahren umfasst die Nutzung der Pulsdauer elektrischer Pulse als Programmiervariable, um ein Phasenänderungsgerät auf zwei oder mehr Speicherzustände zu programmieren, die sich im relativen Verhältnis und/oder der räumlichen Anordnung von kristallinen und amorphen Phasenbereichen unterscheiden. Eine Impulsbreitenprogrammierung in Verbindung mit einem elektrischen Kontakt des Geräts mit einem spezifischen Widerstand innerhalb eines bestimmten Bereichs ermöglicht eine Feinsteuerung des kristallin-amorphen Phasenänderungsprozesses durch Erleichtern der Steuerung der räumlichen Verteilung der thermischen Energie, die durch Joulesche Erwärmung erzeugt wird. Der Grad der Kontrolle über den Phasenänderungsprozess ermöglicht einen zuverlässigen Multilevel-Speicherbetrieb, indem eine reproduzierbare Programmierung von Speicherzuständen ermöglicht wird, die sowohl im Widerstand als auch in der Programmiervariable gut aufgelöst werden.US 2010/0 182 827 A1 describes an electronic device and method for programming for binary and multilevel memory operation. The active material of the device is a phase-change material. The method involves using the pulse duration of electrical pulses as a programming variable to program a phase-change device to two or more memory states that differ in the relative proportion and/or spatial arrangement of crystalline and amorphous phase regions. Pulse-width programming, in conjunction with an electrical contact of the device with a resistivity within a specific range, enables fine control of the crystalline-amorphous phase-change process by facilitating control of the spatial distribution of thermal energy generated by Joule heating. This degree of control over the phase-change process enables reliable multilevel memory operation by enabling reproducible programming of memory states that are well-resolved in both the resistance and the programming variable.

Die US 2008 / 0 019 163 A1 beschreibt ein Verfahren zum Auslesen eines Speicherdatums aus einer resistiven Speicherzelle mit einem über einen Steuerwert adressierbaren Auswahltransistor. Das Verfahren umfasst ein Erfassen eines durch die resistive Speicherzelle fließenden Zellenstroms, ein Setzen des Steuerwertes in Abhängigkeit von dem erfassten Zellenstrom und ein Bereitstellen einer dem Steuerwert zugeordneten Information als Speicherdatum.US 2008/0 019 163 A1 describes a method for reading a storage datum from a resistive memory cell having a selection transistor addressable via a control value. The method comprises detecting a cell current flowing through the resistive memory cell, setting the control value as a function of the detected cell current, and providing information associated with the control value as the storage datum.

Eine Ausführungsform eines Aspekts der vorliegenden Erfindung stellt ein Verfahren zum Ermitteln des Zustands einer Phasenwechselspeicherzelle mit einer nichtlinearen unterschwelligen Strom/Spannungs-Kennlinie bereit. Das Verfahren weist auf:

  • Ausführen einer Vielzahl von von der nichtlinearen unterschwelligen Strom/Spannungs-Kennlinie der Zelle abhängigen Messungen;
  • Verarbeiten der Messwerte mittels Differenzen, um eine Maßzahl zu erhalten, welches von der Steigung der Strom/Spannungs-Kennlinie abhängig und vom absoluten Zellenwiderstand unabhängig ist; und
  • Ermitteln des Zustands der Zelle in Abhängigkeit von der Maßzahl.
An embodiment of an aspect of the present invention provides a method for determining the state of a phase-change memory cell having a nonlinear subthreshold current/voltage characteristic. The method comprises:
  • Performing a variety of measurements dependent on the non-linear sub-threshold current/voltage characteristic of the cell;
  • Processing the measured values using differences to obtain a measure that depends on the slope of the current/voltage characteristic and is independent of the absolute cell resistance; and
  • Determine the state of the cell depending on the measurement value.

In Ausführungsformen dieser Erfindung wird eine Maßzahl verwendet, welche von der Steigung der unterschwelligen Strom/Spannungs- (I/V-) Kennlinie der Zelle, d.h. der Steigung der I/V-Kennlinie unterhalb der Schwellen-Schaltspannung, abhängig ist. Die Steigung der unterschwelligen I/V-Kennlinie ist von Widerstandsdifferentialen, d.h. einer Ableitung des Widerstands, aber nicht von irgendeinem absoluten Widerstandswert abhängig. Während der Zellenwiderstand mit der Zeit merklich schwankt wie oben erörtert, bleibt die Steigung der I/V-Kennlinie im unterschwelligen Bereich über die Zeit fast unverändert. Dies liegt daran, dass die unterschwellige I/V-Steigung eine Funktion des effektiven Volumens der amorphen Phase innerhalb der Zelle ist. Das effektive amorphe Volumen wiederum ist ein gutes Maß des Zellenzustands und bemerkenswerterweise ein Maß, welches nicht anfällig für Drift ist, da bekannt ist, dass Drift die Geometrie der amorphen Phase nicht beeinflusst (man nimmt an, dass Drift der Defektvernichtung innerhalb der amorphen Phase zuzuschreiben ist, aber das amorphe Gesamtvolumen nicht beeinflusst).In embodiments of this invention, a metric is used that depends on the slope of the cell's subthreshold current/voltage (I/V) characteristic, i.e., the slope of the I/V characteristic below the threshold switching voltage. The slope of the subthreshold I/V characteristic depends on resistance differentials, i.e., a derivative of resistance, but not on any absolute resistance value. While the cell resistance varies noticeably over time, as discussed above, the slope of the I/V characteristic in the subthreshold region remains almost unchanged over time. This is because the subthreshold I/V slope is a function of the effective volume of the amorphous phase within the cell. The effective amorphous volume, in turn, is a good measure of the cell state and, remarkably, a measure that is not susceptible to drift, since drift is known not to affect the geometry of the amorphous phase (drift is assumed to be due to defect annihilation within the amorphous phase but does not affect the total amorphous volume).

Diese Erfindung verkörpernde Verfahren nutzen die unterschwellige I/V-Steigung, um eine Zellenzustandsmaßzahl zu erhalten, welche im Wesentlichen driftunabhängig ist. Insbesondere ist die in Ausführungsformen der Erfindung verwendete Maßzahl im Wesentlichen von Drift unbeeinflusst, d.h. sie bleibt, abgesehen von unvermeidlichen Rauschschwankungen, über die Zeit im Wesentlichen konstant. Da die unterschwellige I/V-Steigung eine Funktion des effektiven amorphen Volumens innerhalb der Zelle und folglich ein Maß des Zellenzustands ist, folgt, dass die oben erwähnte Maßzahl auch bezeichnend für den Zellenzustand ist und somit verwendet werden kann, um zwischen verschiedenen Zuständen in MLC-PCM zu unterscheiden. Die Gültigkeit dieser Aussage und die Tauglichkeit dieser Maßzahl als ein Maß des Zellenzustands sind durch Versuchsergebnisse an tatsächlichen PCM-Zellen-Arrays erwiesen, wie weiter unten beschrieben. So stellen Ausführungsformen der Erfindung durch Verwendung der beschriebenen Maßzahl Verfahren bereit, um den Zustand von PCM-Zellen auf eine Weise zu ermitteln, dass abgerufene Informationen beständig gegen Drift sind. Verfahren gemäß Ausführungsformen der Erfindung können u.U. keine Annahmen hinsichtlich der Beschaffenheit der Drift selbst machen und nicht zu einem inhärenten Verlust von Benutzer-Speicherkapazität führen. Ausführungsformen der Erfindung können mithin Verbesserungen der Zellenzustandsermittlung für PCM-Arrays bereitstellen, welche allgemein bessere MLC-Fähigkeiten und einen leistungsfähigen Betrieb von PCM-Einheiten unterstützen.Methods embodying this invention utilize the subthreshold I/V slope to obtain a cell state metric that is substantially drift-independent. In particular, the metric used in embodiments of the invention is substantially unaffected by drift, i.e., it remains substantially constant over time, except for unavoidable noise fluctuations. Since the subthreshold I/V slope is a function of the effective amorphous volume within the cell and thus a measure of cell state, it follows that the above-mentioned metric is also indicative of the cell state and can thus be used to distinguish between different states in MLC-PCM. The validity of this statement and the suitability of this metric as a measure of cell state have been demonstrated by experimental results on actual PCM cell arrays, as described below. Thus, by using the described metric, embodiments of the invention provide methods for determining the state of PCM cells in a manner that retrieved information is robust to drift. Methods according to embodiments of the invention may not make assumptions regarding the nature of the drift itself and may not result in an inherent loss of user storage capacity. Thus, embodiments of the invention may provide improvements in cell state detection for PCM arrays, generally supporting better MLC capabilities and efficient operation of PCM devices.

Die obenerwähnte Maßzahl kann direkt oder indirekt von der Steigung der unterschwelligen I/V-Kennlinie abhängen, wobei sie auf verschiedene Weisen von dieser Steigung abhängt. Der Punkt ist, dass die Maßzahl auf irgendeine Weise mit der unterschwelligen I/V-Steigung zusammenhängt und deshalb nicht direkt vom absoluten Widerstand der Zelle abhängig ist, wobei der letztere einer Drift unterliegt wie oben erörtert. In anderen Worten, der PCM-Zellenzustand kann gemäß Ausführungsformen der Erfindung auf der Grundlage einer Maßzahl, welche vom absoluten Zellenwiderstand unabhängig oder im Wesentlichen unabhängig ist, ermittelt werden. Gemäß Ausführungsformen der Erfindung werden, um die Maßzahl abzuleiten, mindestens zwei Messungen an der Zelle vorgenommen, wobei diese Messungen (direkt oder indirekt) von der unterschwelligen I/V-Steigung abhängig sind. Mehr als zwei Messungen können vorgenommen werden, um eine Mittelwertbildung zu ermöglichen und die Genauigkeit zu verbessern, wie weiter unten beschrieben. Die resultierenden Messwerte können dann auf verschiedene Weisen verarbeitet werden, um die zum Berechnen des Zellenzustands verwendete endgültige Maßzahl zu erhalten. Zum Beispiel können manche Ausführungsformen das Ausführen einer Vielzahl von Messungen des Zellenstroms bei verschiedenen Zellenvorspannungen beinhalten, wobei die Maßzahl von Differenzen in einer Funktion des gemessenen Zellenstroms bei den verschiedenen Vorspannungen abhängig ist. Entsprechend kann die Spannung über der Zelle für verschiedene angelegte Zellenströme gemessen werden, und die Maßzahl kann von Differenzen in einer Funktion der gemessenen Zellenspannungen abhängig sein. Alternativ kann zum Beispiel eine Vielzahl von Messungen des Zellenwiderstands an verschiedenen Punkten der unterschwelligen I/V-Kennlinie ausgeführt werden, und die Maßzahl kann von Differenzen in einer Funktion des gemessenen Zellenwiderstands an den verschiedenen Punkten abhängen. In diesen Beispielen könnte die angegebene Funktion des fraglichen gemessenen Werts einfach der gemessene Wert selbst sein oder sie könnte irgendeine komplexere Funktion, zum Beispiel ein Logarithmus dieses Werts, sein.The aforementioned metric may depend directly or indirectly on the slope of the subthreshold I/V characteristic curve, depending on this slope in various ways. The point is that the metric is somehow related to the subthreshold I/V slope and therefore not directly dependent on the absolute cell resistance, the latter being subject to drift as discussed above. In other words, according to embodiments of the invention, the PCM cell state may be determined based on a metric that is independent or substantially independent of the absolute cell resistance. According to embodiments of the invention, to derive the metric, at least two measurements are taken on the cell, these measurements depending (directly or indirectly) on the subthreshold I/V slope. More than two measurements may be taken to enable averaging and improve accuracy, as described further below. The resulting measurements may then be processed in various ways to obtain the final metric used to calculate the cell state. For example, some embodiments may include performing a plurality of measurements of the cell current at different cell bias voltages, wherein the measure depends on differences as a function of the measured cell current at the different bias voltages. Accordingly, the voltage across the cell may be measured for different applied cell currents, and the measure may depend on differences as a function of the measured cell voltages. Alternatively, for example, a plurality of measurements of the cell resistance may be performed at different points on the sub-threshold I/V characteristic curve, and the measure may depend on differences as a function of the measured cell resistance at the different points. In these examples, the specified function of the cell in question could measured value can simply be the measured value itself or it could be some more complex function, for example a logarithm of that value.

Die bestimmte Art und Weise, auf welche der Zellenzustand aus der Maßzahl ermittelt wird, kann außerdem in verschiedenen Ausführungsformen variieren. Die Einzelheiten dieses Schritts können vom Zellentyp (Anzahl der Zustände), von der genauen Form der Maßzahl selbst und von etwaigen Techniken, welche zusätzlich zum grundlegenden Ableitungsverfahren für die Maßzahl verwendet werden könnten, z.B. von etwaigen zusätzlichen Korrekturtechniken zur weiteren Steigerung der Lesegenauigkeit, abhängen. In bevorzugten Ausführungsformen kann der Zellenzustand einfach durch Vergleichen der abgeleiteten Maßzahl (mit oder ohne irgendeine weitere Verarbeitung) mit einem oder mehreren Referenzwerten, welche den verschiedenen Zellenzuständen entsprechen, ermittelt werden. Während Ausführungsformen der Erfindung auf PCM-Zellen mit zwei Zuständen angewendet werden können, ist die Anwendung auf Mehrzustandszellen besonders vorteilhaft, da Drift in MLC-Einheiten problematischer ist. Wenn sie zum Ermitteln des Zustands einer Mehrzustandszelle (d.h. einer s-Zustands-Zelle mit s>2) verwendet werden, können bevorzugte Verfahren das Ermitteln des Zustands der Zelle durch Vergleichen der abgeleiteten Maßzahl mit einer Vielzahl von Referenzwerten beinhalten, welche den s Zuständen der Zelle entsprechen. Solche Referenzwerte können einen Zellenzustand auf verschiedene Weisen definieren, z.B. als vordefinierte Schwellenwerte, die Grenzen für Messbereiche definieren, welche den verschiedenen Rücklesezuständen zugeordnet sind.The specific manner in which the cell state is determined from the metric may also vary in different embodiments. The details of this step may depend on the cell type (number of states), the exact form of the metric itself, and any techniques that might be used in addition to the basic metric derivation method, e.g., any additional correction techniques to further enhance reading accuracy. In preferred embodiments, the cell state may be determined simply by comparing the derived metric (with or without any further processing) to one or more reference values corresponding to the different cell states. While embodiments of the invention can be applied to two-state PCM cells, application to multi-state cells is particularly advantageous, since drift is more problematic in MLC devices. When used to determine the state of a multi-state cell (i.e., an s-state cell with s>2), preferred methods may include determining the cell's state by comparing the derived measure with a plurality of reference values corresponding to the s states of the cell. Such reference values may define a cell state in various ways, e.g., as predefined thresholds that define boundaries for measurement ranges associated with the various readback states.

Eine Ausführungsform eines zweiten Aspekts der Erfindung stellt eine Vorrichtung zum Ermitteln des Zustands einer Phasenwechselspeicherzelle mit einer nichtlinearen unterschwelligen Strom/Spannungs-Kennlinie bereit. Die Vorrichtung weist auf:

  • eine Messschaltung zum Ausführen einer Vielzahl von von der nichtlinearen unterschwelligen Strom/Spannungs-Kennlinie der Zelle abhängigen Messungen; und
  • eine Steuereinheit zum Verarbeiten der Messwerte mittels Differenzen, um eine Maßzahl zu erhalten, welche von der Steigung der Strom/Spannungs-Kennlinie abhängig und vom absoluten Zellenwiderstand unabhängig ist, wobei die Steuereinheit so eingerichtet ist, dass sie den Zustand der Zelle in Abhängigkeit der Maßzahl ermitteln kann.
An embodiment of a second aspect of the invention provides an apparatus for determining the state of a phase-change memory cell with a nonlinear sub-threshold current/voltage characteristic. The apparatus comprises:
  • a measuring circuit for performing a plurality of measurements dependent on the non-linear sub-threshold current/voltage characteristic of the cell; and
  • a control unit for processing the measured values by means of differences in order to obtain a measurement value which is dependent on the slope of the current/voltage characteristic curve and independent of the absolute cell resistance, wherein the control unit is designed in such a way that it can determine the state of the cell as a function of the measurement value.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der PCM-Zellenzustand auf der Grundlage einer Maßzahl ermittelt, welche vom absoluten Zellenwiderstand unabhängig oder im Wesentlichen unabhängig ist.According to a further embodiment of the invention, the PCM cell state is determined on the basis of a measure which is independent or substantially independent of the absolute cell resistance.

Eine Ausführungsform eines dritten Aspekts der Erfindung stellt eine Phasenwechselspeicher-Einheit bereit, aufweisend:

  • einen Speicher, eine Vielzahl von Phasenwechselspeicherzellen mit einer nichtlinearen unterschwelligen Strom/Spannungs-Kennlinie aufweisend; und
  • eine Lese/Schreib-Vorrichtung zum Lesen von Daten aus den und Schreiben von Daten in die Phasenwechselspeicherzellen, wobei die Lese/SchreibVorrichtung eine Vorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung zum Ermitteln des Zustands einer Speicherzelle enthält.
An embodiment of a third aspect of the invention provides a phase change memory device comprising:
  • a memory comprising a plurality of phase-change memory cells with a non-linear sub-threshold current/voltage characteristic; and
  • a read/write device for reading data from and writing data to the phase change memory cells, the read/write device including a device according to the second aspect of the invention for determining the state of a memory cell.

Allgemein können, wo hierin Merkmale bezüglich eines die Erfindung verkörpernden Verfahrens beschrieben werden, entsprechende Merkmale in einer die Erfindung verkörpernden Vorrichtung oder Einheit bereitgestellt sein und umgekehrt.In general, where features are described herein with respect to a method embodying the invention, corresponding features may be provided in an apparatus or device embodying the invention, and vice versa.

Nun werden anhand der folgenden beigefügten Zeichnungen beispielhaft bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.

  • 1 ist ein schematischer Blockschaltplan einer die Erfindung verkörpernden Phasenwechselspeicher-Einheit;
  • 2 zeigt eine Mittelwert-Programmierkurve für PCM-Zellen mit acht Zuständen;
  • 3 veranschaulicht die Zeitabhängigkeit des PCM-Zellenwiderstands bei verschiedenen angelegten Spannungen;
  • 4 zeigt eine einfache Differenzmaßzahl-Berechnungsschaltung zum Erzeugen einer Zellenzustandsmaßzahl in der Einheit in 1;
  • 5 zeigt die Ergebnisse aus 3 nach einem Mittelwertentfernungsprozess;
  • Die 6a und 6b veranschaulichen die Zeitabhängigkeit einer in der Einheit in 1 verwendeten Differenzmaßzahl vor beziehungsweise nach Mittelwertentfernung;
  • 7 vergleicht die Zeitabhängigkeit des Zellenwiderstands mit der Zeitabhängigkeit der Differenzmaßzahl;
  • Die 8a und 8b veranschaulichen die Funktionsweise digitaler beziehungsweise analoger Ausführungen einer Messschaltung der Einheit in 1 ;
  • 9 vergleicht die Wirkung von Drift auf Zellenzustandsmessungen bei verschiedenen Zuständen unter Verwendung einer Roh-Widerstandsmaßzahl und der Differenzmaßzahl der Einheit in 1;
  • 10 zeigt, wie die mittlere Differenzmaßzahl sich mit dem gespeicherten Zellenzustand ändert; und
  • 11 ist eine schematische Darstellung einer PCM-Zelle, welche die effektive amorphe Dicke der Zelle zeigt.
Preferred embodiments of the invention will now be described by way of example with reference to the following accompanying drawings.
  • 1 is a schematic block diagram of a phase change memory unit embodying the invention;
  • 2 shows a mean programming curve for eight-state PCM cells;
  • 3 illustrates the time dependence of PCM cell resistance at different applied voltages;
  • 4 shows a simple difference measure calculation circuit for generating a cell state measure in the unit in 1 ;
  • 5 shows the results from 3 after a mean removal process;
  • The 6a and 6b illustrate the time dependence of a unit in 1 used difference measure before or after mean removal;
  • 7 compares the time dependence of the cell resistance with the time dependence of the difference measure;
  • The 8a and 8b illustrate the functionality of digital or analog versions of a measuring circuit of the unit in 1 ;
  • 9 compares the effect of drift on cell state measurements at different conditions using a raw resistance measure and the unit difference measure in 1 ;
  • 10 shows how the mean difference measure changes with the stored cell state; and
  • 11 is a schematic representation of a PCM cell showing the effective amorphous thickness of the cell.

1 ist ein schematischer Blockschaltplan einer die Erfindung verkörpernden Phasenwechselspeicher-Einheit. Die Einheit 1 enthält einen Phasenwechselspeicher 2 zum Speichern von Daten in einem oder mehreren integrierten Arrays von Mehrzustands-PCM-Zellen. Obwohl der Speicher 2 in der Figur als einzelner Block gezeigt ist, kann er allgemein jede beliebige gewünschte Konfiguration von PCM-Speichereinheiten, zum Beispiel von einem einzelnen Chip bis hin zu einer Vielzahl von Speicherbänken, aufweisen, die jeweils mehrere Bausteine von Speicherchips enthalten. Das Lesen und Schreiben von Daten in den Speicher 2 erfolgt durch eine Lese/Schreib-Vorrichtung 3. Die Vorrichtung 3 enthält eine Daten-Schreib/Lese-Messschaltung 4 zum Schreiben von Daten in die PCM-Zellen und zum Ausführen von Zellenmessungen, welche das Ermitteln des Zellenzustands und folglich das Rücklesen gespeicherter Daten gestatten. Durch Anlegen geeigneter Spannungen an ein Array aus Wort- und Bitzeilen in der Speichergesamtheit 2 kann die Schaltung 4 einzelne PCM-Zellen für Schreib- und Lesezwecke adressieren. Dieser Prozess wird auf allgemein bekannte Art und Weise durchgeführt, ausgenommen wie nachstehend aufgeführt. Eine Lese/Schreib-Steuereinheit 5 steuert allgemein den Betrieb der Vorrichtung 3 und enthält die Funktionalität zum Ableiten einer Zellenzustandsmaßzahl aus Lesemessungen und zum Verwenden dieser Maßzahl zur Zellenzustandsermittlung, d.h. zur Zustandserkennung, wie unten ausführlicher beschrieben. Allgemein könnte die Funktionalität der Steuereinheit 5 in Hardware oder Software oder einer Kombination daraus ausgeführt sein, obwohl aus Gründen der Betriebsgeschwindigkeit gewöhnlich die Verwendung festverdrahteter Logikschaltungen bevorzugt wird. Geeignete Ausführungen werden dem Fachmann aus der hierin gegebenen Beschreibung ersichtlich sein. Wie durch Block 6 in der Figur angedeutet, werden in die Einheit 1 eingegebene Benutzerdaten üblicherweise irgendeiner Art von Schreibverarbeitung wie einer Codierung zu Fehlerkorrekturzwecken unterzogen, bevor sie als Schreibdaten der Lese/SchreibVorrichtung 3 zugeführt werden. Entsprechend werden durch die Vorrichtung 3 ausgegebene rückgelesene Daten gewöhnlich durch ein Leseverarbeitungsmodul 7 verarbeitet, welches z.B. Codeworterkennungs- und Fehlerkorrektur-Operationen durchführt, um die ursprünglichen eingegebenen Benutzerdaten wiederherzustellen. Eine solche Verarbeitung durch die Module 6 und 7 ist vom zu beschreibenden Zellenzustands-Maßzahlsystem unabhängig und braucht hier nicht im Einzelnen erörtert zu werden. 1 is a schematic block diagram of a phase-change memory unit embodying the invention. The unit 1 contains a phase-change memory 2 for storing data in one or more integrated arrays of multi-state PCM cells. Although the memory 2 is shown in the figure as a single block, it may generally comprise any desired configuration of PCM memory units, for example, from a single chip to a plurality of memory banks, each containing multiple modules of memory chips. Reading and writing data to the memory 2 is performed by a read/write device 3. The device 3 contains a data read/write measurement circuit 4 for writing data to the PCM cells and for performing cell measurements that allow the cell state to be determined and, consequently, the stored data to be read back. By applying suitable voltages to an array of word and bit lines in the memory assembly 2, the circuit 4 can address individual PCM cells for writing and reading purposes. This process is carried out in a generally known manner, except as detailed below. A read/write control unit 5 generally controls the operation of the device 3 and includes the functionality for deriving a cell state metric from read measurements and using this metric for cell state determination, i.e., state detection, as described in more detail below. In general, the functionality of the control unit 5 could be implemented in hardware or software, or a combination thereof, although for reasons of speed of operation, the use of hard-wired logic circuits is usually preferred. Suitable implementations will be apparent to those skilled in the art from the description given herein. As indicated by block 6 in the figure, user data input to the unit 1 is usually subjected to some type of write processing, such as encoding for error correction purposes, before being supplied as write data to the read/write device 3. Accordingly, read-back data output by the device 3 is usually processed by a read processing module 7, which performs, for example, codeword detection and error correction operations to restore the original input user data. Such processing by modules 6 and 7 is independent of the cell state measurement system to be described and does not need to be discussed in detail here.

Jede der Mehrzustandszellen in Speicher 2 kann entsprechend verschiedenen amorphen/kristallinen Zuständen der Zelle auf einen von s vordefinierten Widerstandswerten gesetzt werden, wobei s>2. Die Widerstandswerte, welche die verschiedenen Zustände definieren, haben meist ungleichmäßige Abstände, wobei sie üblicherweise logarithmisch dargestellt werden. In diesem bestimmten Beispiel ist s=8, wodurch jede Zelle acht Zustände speichern kann, wobei drei Speicherbits pro Zelle bereitgestellt werden. Um Daten in eine gegebene Zelle zu schreiben, legt Schaltung 4 einen Spannungsimpuls an, um die Zelle in den Zustand zu setzen, welcher dem geeigneten Widerstandswert entspricht. 2 veranschaulicht, wie sich der Zellenwiderstand bei PCM-Zellen mit der angelegten Spannung ändert. Diese Figur zeigt die für angelegte Spannungsimpulse erhaltene Mittelwert-Programmierkurve bei zunehmender Amplitude Vg für ein Array von sechzig 8-Zustands-PCM-Zellen als den Logarithmus des (mittleren) Zellenwiderstands R. Die acht vordefinierten Widerstandswerte R0 bis R7 sind in der Figur durch waagerechte Linien dargestellt. Die linke Seite der Programmierkurve (links von der senkrechten gestrichelten Linie bei Vg = 1,5 Volt) zeigt, wie der programmierte Widerstand bei Erhöhen der Spannung ab 0 Volt zunächst abnimmt. Dies ist der zunehmenden Kristallisation im Chalkogenid-Material der Zelle zuzuschreiben. Vg = 1,5 Volt entspricht hier einem Zustand maximaler Kristallisation. Danach bewirkt eine zunehmende Spannung ein zunehmendes Schmelzen, was ein größeres effektives Volumen der amorphen Phase innerhalb der Zelle zur Folge hat. Dies bewirkt, dass der programmierte Widerstand entlang der rechten Programmierkurve zunimmt, wie rechts von der senkrechten gestrichelten Linie in der Figur gezeigt. In Übereinstimmung mit der herkömmlichen Praxis werden Daten in Zellen in der Einheit in 1 geschrieben, indem die Zellen auf der rechten Programmier-Steigung der Kurve in 2 programmiert werden.Each of the multi-state cells in memory 2 can be set to one of s predefined resistance values, where s>2, corresponding to different amorphous/crystalline states of the cell. The resistance values defining the different states are usually unevenly spaced and are usually represented logarithmically. In this particular example, s=8, allowing each cell to store eight states, providing three bits of storage per cell. To write data to a given cell, circuit 4 applies a voltage pulse to set the cell to the state corresponding to the appropriate resistance value. 2 illustrates how the cell resistance in PCM cells changes with the applied voltage. This figure shows the mean programming curve obtained for applied voltage pulses with increasing amplitude Vg for an array of sixty 8-state PCM cells as the logarithm of the (average) cell resistance R. The eight predefined resistance values R0 to R7 are represented in the figure by horizontal lines. The left side of the programming curve (left of the vertical dashed line at Vg = 1.5 volts) shows how the programmed resistance initially decreases as the voltage is increased, starting from 0 volts. This is attributable to increasing crystallization in the chalcogenide material of the cell. Here, Vg = 1.5 volts corresponds to a state of maximum crystallization. Thereafter, increasing voltage causes increasing melting, resulting in a larger effective volume of the amorphous phase within the cell. This causes the programmed resistance to increase along the right programming curve, as shown to the right of the vertical dashed line in the figure. In accordance with conventional practice Data is stored in cells in the unit in 1 written by placing the cells on the right programming slope of the curve in 2 be programmed.

Das Lesen einer Speicherzelle erfordert das Ermitteln des Zustands der Zelle, d.h. das Erkennen, auf welchen der vordefinierten Werte R0 bis R7 die Zelle gesetzt ist. In herkömmlichen Einheiten geschieht dies durch Ausführen einer direkten Messung des Zellenwiderstands. Insbesondere wird eine Messung des Zellenstroms für eine gegebene angelegte Spannung durchgeführt und der Zellenwiderstand berechnet und als eine Zellenzustandsmaßzahl verwendet, welche mit den vordefinierten Werten verglichen wird, um den Zellenzustand zu ermitteln. Diese Messung erfolgt im unterschwelligen Bereich der Strom/Spannungs- (I/V-) Kennlinie der Zelle, damit die Messung den Zellenzustand nicht beeinflusst. Die I/V-Kennlinie ist im unterschwelligen Bereich stark nichtlinear, wodurch bei verschiedenen Vorspannungen verschiedene Widerstände gemessen werden. Dies ist aus dem Diagramm von log R über der Zeit in 3 ersichtlich, welches zeigt, dass der gemessene Widerstand von PCM-Zellen abnimmt, wenn die angelegte Spannung erhöht wird. Diese Figur veranschaulicht außerdem deutlich die Wirkung von Drift auf Widerstandsmessungen. Insbesondere steigt mit der Zeit der Widerstand der amorphen Phase etwa gemäß der Gleichung: R(t) = R0(t/t0)v, wobei log R(t) = log R0 + vlog(t/t0), wobei v der Drift-Exponent ist, von welchem man annimmt, dass er proportional zum Volumen der amorphen Phase im aktiven Gebiet der PCM-Zelle ist. Es wurde gezeigt, dass der Drift-Exponent mit zunehmender Temperatur steigt. Drift ist ein stochastisches Phänomen, welches als nichtstationäres Rauschen behandelt werden kann und deshalb sehr schwierig vorherzusagen ist.Reading a memory cell requires determining the cell's state, i.e., identifying which of the predefined values R0 to R7 the cell is set to. In conventional units, this is done by performing a direct measurement of the cell resistance. Specifically, a measurement of the cell current is taken for a given applied voltage, and the cell resistance is calculated and used as a cell state metric, which is compared with the predefined values to determine the cell state. This measurement is performed in the sub-threshold region of the cell's current/voltage (I/V) characteristic so that the measurement does not affect the cell state. The I/V characteristic is highly non-linear in the sub-threshold region, resulting in different resistances being measured at different bias voltages. This can be seen from the plot of log R versus time in 3 which shows that the measured resistance of PCM cells decreases as the applied voltage is increased. This figure also clearly illustrates the effect of drift on resistance measurements. In particular, the resistance of the amorphous phase increases over time approximately according to the equation: R(t) = R 0 (t/t 0 ) v , where log R(t) = log R 0 + vlog(t/t 0 ), where v is the drift exponent, which is assumed to be proportional to the volume of the amorphous phase in the active region of the PCM cell. It has been shown that the drift exponent increases with increasing temperature. Drift is a stochastic phenomenon that can be treated as non-stationary noise and is therefore very difficult to predict.

Die Einheit 1 in 1 wendet ein Verfahren zum Ermitteln des Zellenzustands an, welches eine Maßzahl verwendet, die von der Steigung der unterschwelligen IN-Kennlinie abhängig ist. Dies kann eine Maßzahl liefern, welche vom absoluten Zellenwiderstand unabhängig ist. Um eine Zelle zu lesen, führt die Lese-Messschaltung 4 eine Vielzahl von von der unterschwelligen I/V-Kennlinie der Zelle abhängigen Messungen durch. In dieser beispielhaften Ausführungsform erhält man als Differenz zwischen dem Logarithmus des Zellenwiderstands R1 bei einer bestimmten Vorspannung V1 und dem Logarithmus des Widerstands R2 bei einer anderen Spannung V2 eine mit der unterschwelligen I/V-Steigung zusammenhängende einfache Maßzahl. Da die unterschwellige I/V-Steigung über die Zeit fast konstant bleibt, hat die Differenzmaßzahl log R1 - log R2 die gleiche Eigenschaft. Obwohl sowohl log R1 als auch log R2 merklich schwanken und im Mittel mit der Zeit zunehmen, sind ihre Schwankungen tatsächlich so stark korreliert, dass durch Subtrahieren derselben ihre gemeinsame Komponente, welche der Drift zuzuschreiben ist, entfernt wird. Die verbleibende Komponente ist Rauschen und anderen Schwankungen zuzuschreiben, welche weitgehend unkorreliert und nicht durch Drift verursacht werden. Es ist zu beachten, dass dieser Ansatz keine bestimmten Annahmen über die Beschaffenheit der Drift als Funktion der Zeit macht. Eine (als Funktion der Zeit gesehene) arbiträre Drift-Charakteristik kann wirksam entfernt werden.Unit 1 in 1 uses a method for determining the cell state which uses a metric dependent on the slope of the subthreshold I/V characteristic. This can provide a metric that is independent of the absolute cell resistance. To read a cell, the read measurement circuit 4 performs a plurality of measurements dependent on the cell's subthreshold I/V characteristic. In this exemplary embodiment, a simple metric related to the subthreshold I/V slope is obtained as the difference between the logarithm of the cell resistance R 1 at a certain bias voltage V 1 and the logarithm of the resistance R 2 at a different voltage V 2. Since the subthreshold I/V slope remains almost constant over time, the difference metric log R 1 - log R 2 has the same property. Although both log R 1 and log R 2 fluctuate appreciably and increase on average over time, their fluctuations are in fact so highly correlated that subtracting them removes their common component, which is attributable to drift. The remaining component is attributable to noise and other fluctuations that are largely uncorrelated and not caused by drift. Note that this approach makes no specific assumptions about the nature of the drift as a function of time. An arbitrary drift characteristic (seen as a function of time) can be effectively removed.

In einer Leseoperation der Einheit 1 erfasst Messschaltung 4 den bei Anlegen einer ersten (unterschwelligen) Spannung V1 durch eine Zelle fließenden Strom I1 und den bei Anlegen einer zweiten (unterschwelligen) Spannung V2 fließenden Strom I2. Die resultierenden Widerstandsmesswerte R1 = V1/I1 und R2 = V2/I2 werden an eine Steuereinheit 5 ausgegeben. Die Steuereinheit 5 berechnet dann die Differenzmaßzahl log R1- log R2. Dies kann in der Steuereinheit 5 entweder im digitalen oder im analogen Bereich mittels einer einfachen Differentialverstärkerschaltung, wie in 4 veranschaulicht, realisiert werden. Da die resultierende Maßzahl von Widerstandsdifferenzen abhängt, hängt die Maßzahl von der Steigung der I/V-Kennlinie, aber nicht von irgendeinem absoluten Widerstands- (und deshalb absoluten Strom- oder Spannungs-) Wert ab. Die unterschwellige I/V-Steigung ist eine Funktion des effektiven amorphen Volumens innerhalb der Zelle und somit ein Maß des Zellenzustands, wie zuvor erörtert. Daraus folgt, dass die Differenzmaßzahl auch bezeichnend für den Zellenzustand ist. Die Differenzmaßzahl kann deshalb verwendet werden, um zwischen verschiedenen gespeicherten Zuständen zu unterscheiden, während sie aus den oben erläuterten Gründen von Drift im Wesentlichen unbeeinflusst ist. Dies wird durch die folgende Erläuterung von Versuchsergebnissen gezeigt.In a read operation of unit 1, measuring circuit 4 detects the current I 1 flowing through a cell when a first (sub-threshold) voltage V 1 is applied and the current I 2 flowing when a second (sub-threshold) voltage V 2 is applied. The resulting resistance measurements R 1 = V 1 /I 1 and R 2 = V 2 /I 2 are output to a control unit 5. The control unit 5 then calculates the difference measure log R 1 - log R 2 . This can be done in the control unit 5 either in the digital or in the analog domain by means of a simple differential amplifier circuit, as in 4 illustrated. Since the resulting metric depends on resistance differences, the metric depends on the slope of the I/V characteristic, but not on any absolute resistance (and therefore absolute current or voltage) value. The subthreshold I/V slope is a function of the effective amorphous volume within the cell and thus a measure of the cell state, as discussed previously. It follows that the difference metric is also indicative of the cell state. The difference metric can therefore be used to distinguish between different stored states, while being essentially unaffected by drift for the reasons explained above. This is demonstrated by the following discussion of experimental results.

Zunächst zu 3 zurückkehrend, lässt sich beobachten, dass Messungen von log (R(t)) bei verschiedenen Spannungen sich nur durch eine Konstante zu unterscheiden scheinen. Daher sollte die strukturelle Relaxation des Materials (Drift) zumindest bei niedrigen Spannungen (kein Tempern) von der Spannung unabhängig sein. Das folgende Modell wird gewählt, um die Messungen zu erläutern: r ( t , V i ) = R i + w ( t ) wobei w(t) eine Funktion der Zeit mit dem Mittelwert null ist, Ri nur von Vi abhängt und r() verwendet wird, um log(R()) zu bezeichnen. Deshalb: ist der bezüglich der Zeit genommene Mittelwert E durch E [ r ( t , V i ) ] = Ri , gegeben, und folglich ist r ( t , V i ) E [ r ( t , V i ) ] = w ( t )  f u ¨ r alle  ( i ) . First of all 3 Returning to the original, it can be observed that measurements of log (R(t)) at different stresses appear to differ only by a constant. Therefore, the structural relaxation of the material (drift) should be independent of stress, at least at low stresses (no annealing). The following model is chosen to explain the measurements: r ( t , V i ) = R i + w ( t ) where w(t) is a function of time with mean zero, R i depends only on V i and r() is used to denote log(R()). Therefore: the mean value E taken with respect to time is given by E [ r ( t , V i ) ] = Ri , given, and consequently r ( t , V i ) E [ r ( t , V i ) ] = w ( t )  f u ¨ r alle  ( i ) .

Dies wird durch 5 gestützt, welche die Ergebnisse aus 3 nach Mittelwertentfernung zeigt. Wenn wir nun die bei verschiedenen Spannungen Vi, Vk gemessene Differenz DR(t,Vi,k) zwischen Paaren von r(t) betrachten, ist: DR ( t , V i , k ) = r ( t , V i ) r ( t , V k ) = R i R k welche unabhängig von (t), d.h. konstant über der Zeit ist. Daher sollten alle Signalverläufe DR(t,Vi,k) Konstanten über der Zeit sein (Steigung = 0). Es ist zu beachten, dass bei dieser Differenzmaßzahl keine Kenntnis von Drift-Charakteristiken vorausgesetzt wird (d.h. w(t) kann arbiträr sein). Diese Vorhersagen werden durch die 6a und 6b deutlich gestützt. In 6a ist die Differenzmaßzahl für verschiedene Spannungspaare Vi, Vk über der Zeitdarstellung in logarithmischem Maßstab aufgetragen, und 6b zeigt dieselben Ergebnisse nach Mittelwertentfernung (DR(t,Vi,k) - E[DR(t,Vi,k)]).This is done by 5 which supports the results from 3 after mean removal. If we now consider the difference DR(t,V i,k ) between pairs of r(t) measured at different voltages V i , V k , we get: DR ( t , V i , k ) = r ( t , V i ) r ( t , V k ) = R i R k which is independent of (t), ie, constant over time. Therefore, all signal waveforms DR(t,V i,k ) should be constants over time (slope = 0). It should be noted that this difference measure assumes no knowledge of drift characteristics (ie, w(t) can be arbitrary). These predictions are determined by the 6a and 6b clearly supported. In 6a the difference measure for different voltage pairs V i , V k is plotted against time in a logarithmic scale, and 6b shows the same results after mean removal (DR(t,V i,k ) - E[DR(t,V i,k )]).

7 zeigt einen direkten Vergleich zwischen der Differenzmaßzahl D und der herkömmlichen Rohwiderstandsmessung (absoluter Widerstand in logarithmischer Darstellung) als Funktion der Zeit in logarithmischem Maßstab. Die durchgezogenen Linien geben einen geradlinigen Eindruck der Ergebnisse für jede Kurve. Dies zeigt am deutlichsten, dass das Differenzmaß weniger zeitabhängig als das Rohmaß ist. Das Differenzmaß kann somit ein im Wesentlichen driftunabhängiges Maß bereitstellen sowie eines, welches ohne Kenntnis der Driftcharakteristik (z.B. ob logR(t) zu log(t) oder irgendeinem anderen Driftmodell proportional ist) funktioniert. 7 shows a direct comparison between the difference measure D and the conventional raw resistance measurement (absolute resistance in logarithmic representation) as a function of time on a logarithmic scale. The solid lines provide a straightforward impression of the results for each curve. This most clearly demonstrates that the difference measure is less time-dependent than the raw measure. The difference measure can thus provide an essentially drift-independent measure, as well as one that functions without knowledge of the drift characteristics (e.g., whether logR(t) is proportional to log(t) or any other drift model).

Während oben ein einfaches Modell verwendet wird, um die Messungen zu erläutern, kann ein weiter verfeinertes Modell von R(t), gemessen bei verschiedenen Spannungen, in Betracht gezogen werden, welches ein Potenzgesetz-Verhalten von R über der Zeit annimmt (übliches Driftmodell). Gemäß dem Standard-Driftmodell ist: log [R(t)] = α(R0) + vlogt, wobei R0=R(0), v: Drift-Potenzgesetz-Exponent, und unter der Annahme t0 =1, ohne Verlust der Allgemeingültigkeit. Bei Verwendung eines verfeinerten Modells ist: log [ R ( t , V i ) ] = α ( R 0 , V i ) + ( v + w i ) log t wobei der Mittelwert Ei{wi} = 0 ist, v vom R-Wert abhängt und wi<<v, ist, die Differenzmaßzahl nimmt dann die folgende Form an: log [ R ( t , V i ) ] log [ R ( t , V k ) ] = [ α ( R 0 , V i ) α ( R 0 , V k ) ] + ( w i + w k ) log t . While a simple model is used above to explain the measurements, a further refined model of R(t) measured at different voltages can be considered, which assumes a power-law behavior of R over time (the usual drift model). According to the standard drift model, log [R(t)] = α(R 0 ) + vlogt, where R 0 =R(0), v: drift power-law exponent, and assuming t 0 =1, without loss of generality. Using a refined model, the following is: log [ R ( t , V i ) ] = α ( R 0 , V i ) + ( v + w i ) log t where the mean value E i {w i } = 0, v depends on the R-value and w i <<v, the difference measure then takes the following form: log [ R ( t , V i ) ] log [ R ( t , V k ) ] = [ α ( R 0 , V i ) α ( R 0 , V k ) ] + ( w i + w k ) log t .

Der erste Term in eckigen Klammern ist hier ein Maß von R(0) und hat eine Größe, welche mit |Vi-Vk| zunimmt. Der zweite Term ist eine schwache Funktion der Zeit (wi<<v). Die Qualität der Maßzahl (Zeitunabhängigkeit, Varianz) kann dann durch Mittelwertbildung verbessert werden: E { log [ R ( t , V i ) ] log [ R ( t , V k ) ] } = E [ α ( R 0 , V i ) α ( R 0 , V k ) ] welche keine Zeitabhängigkeit aufweist. Der Mittelwert kann hier über eine Anzahl von verschiedenen Spannungspaaren Vi, Vk gebildet werden. Ein solcher Mittelwertbildungsprozess kann in der Einheit in 1 auf einfach Weise realisiert werden. Während einer Zellenleseoperation erfasst die Messschaltung 4 den Zellenstrom bei mehreren verschiedenen angelegten Bitzeilen- (BL-) Spannungen. Dies ist in 8a für eine digitale Schaltungsausführung und in 8b für eine analoge Ausführung dargestellt. Die resultierenden Widerstandsmesswerte (V/I) bei jeder Spannung werden der Steuereinheit 5 zugeführt, welche die Differenz zwischen Paaren dieser Widerstandswerte berechnet und die Ergebnisse mittelt, um die endgültige mittlere Differenzmaßzahl zu erhalten.The first term in square brackets is a measure of R(0) and has a magnitude that increases with |V i -V k |. The second term is a weak function of time (w i <<v). The quality of the measure (time independence, variance) can then be improved by averaging: E { log [ R ( t , V i ) ] log [ R ( t , V k ) ] } = E [ α ( R 0 , V i ) α ( R 0 , V k ) ] which has no time dependence. The average value can be calculated over a number of different voltage pairs Vi, Vk. Such an averaging process can be expressed in the unit in 1 can be realized in a simple manner. During a cell read operation, the measuring circuit 4 detects the cell current at several different applied bit line (BL) voltages. This is shown in 8a for a digital circuit design and in 8b for an analog implementation. The resulting resistance measurements (V/I) at each voltage are fed to control unit 5, which calculates the difference between pairs of these resistance values and averages the results to obtain the final mean difference measure.

In 9 werden die Steigungen der Signalverläufe der mittleren Differenzmaßzahl über der Zeit für verschiedene Zellenzustände mit den Steigungen der entsprechenden Signalverläufe für das rohe (absolute) Widerstandsmaß verglichen. Diese Steigungen sind eine Schätzung des Drift-Exponenten, und die Ergebnisse zeigen deutlich die überlegene Leistungsfähigkeit der mittleren Differenzmaßzahl.In 9 the slopes of the signal curves of the mean difference measure over time for different cell states are compared with the slopes of the corresponding signal curves for the raw (absolute) These slopes are an estimate of the drift exponent, and the results clearly demonstrate the superior performance of the mean difference measure.

Nachdem wir den Drift-Widerstand der Differenzmaßzahl als ein Maß des Zellenzustands dargelegt haben, wenden wir uns nun der Frage der Zustandsunterscheidung zu. Um wirksam zu sein, muss die Maßzahl natürlich zustandsabhängig sein und idealerweise eine Zustandserkennung mit einem guten Abstand ermöglichen. 10 zeigt, wie sich die mittlere Differenzmaßzahl mit dem gespeicherten Widerstandswert ändert, wobei der Mittelwert über mehrere Spannungspaare gebildet wird, wie oben beschrieben. Dies beweist, dass die Differenzmaßzahl hinreichend zwischen gespeicherten Widerstandswerten unterscheidet, um als ein wirksames Maß des Zellenzustands verwendet zu werden. Die Zustandserkennung kann in der Steuereinheit 5 der Einheit 1 einfach durch Vergleichen der für eine Zelle erhaltenen mittleren Differenzmaßzahl mit einer Vielzahl von vordefinierten Referenzwerten erfolgen. Die Referenzwerte können zum Beispiel zuvor berechneten Maßzahlwerten entsprechen, welche die verschiedenen Zellenzustände definieren, oder Schwellenwerten, welche die Grenzen zwischen jeweiligen Bereichen von Maßzahlwerten definieren, welche als den verschiedenen Zellenzuständen zugeordnet angesehen werden. Ein einfacher Vergleich der berechneten Maßzahl mit den Referenzwerten in der Steuereinheit 5 liefert somit den gespeicherten Zellenzustand. Die resultierenden rückgelesenen Daten werden dann von der Steuereinheit 5 zur weiteren Leseverarbeitung ausgegeben, um die Benutzerdaten wiederherzustellen, wie oben erörtert.Having presented the drift resistance of the difference metric as a measure of cell state, we now turn to the question of state discrimination. To be effective, the metric must, of course, be state-dependent and ideally allow state detection with a good margin. 10 shows how the mean difference metric varies with the stored resistance value, averaging over multiple voltage pairs as described above. This proves that the difference metric discriminates sufficiently between stored resistance values to be used as an effective measure of cell state. State detection can be performed in the control unit 5 of the unit 1 simply by comparing the mean difference metric obtained for a cell with a plurality of predefined reference values. The reference values may, for example, correspond to previously calculated metric values defining the various cell states or thresholds defining the boundaries between respective ranges of metric values considered to be associated with the various cell states. A simple comparison of the calculated metric with the reference values in the control unit 5 thus provides the stored cell state. The resulting read-back data is then output from the control unit 5 for further read processing to recover the user data, as discussed above.

Man wird erkennen, dass die obige Ausführungsform durch Nutzen der beschriebenen Zellenzustandsmaßzahl eine neue Technik zur PCM-Zellenzustandsermittlung realisieren kann, durch welche abgerufene Daten im Wesentlichen beständig gegen Drift sind. Diese Technik erbringt wohl keine Erkenntnisse hinsichtlich der Beschaffenheit der Drift selbst, und sie führt auch nicht zu einem inhärenten Verlust von Benutzer-Speicherkapazität. Die Einheit 1 kann somit eine neue MLC-PCM-Einheit bilden, welche die neue Zellenzustandsmaßzahl-Technik nutzt, um eine verbesserte Leistungsfähigkeit in Verbindung mit einer einfachen Realisierung bereitzustellen.It will be appreciated that by utilizing the described cell state metric, the above embodiment can implement a new technique for PCM cell state detection, whereby retrieved data is substantially resistant to drift. This technique arguably provides no insight into the nature of the drift itself, nor does it result in an inherent loss of user storage capacity. Unit 1 can thus constitute a new MLC PCM unit utilizing the new cell state metric technique to provide improved performance combined with simple implementation.

Man wird natürlich erkennen, dass viele Änderungen und Modifikationen an der oben beschriebenen beispielhaften Ausführungsform vorgenommen werden können. Zum Beispiel können verschiedene andere von der unterschwelligen IN-Kennlinie von PCM-Zellen abhängige Maßzahlen ins Auge gefasst werden. Eine weitere einfache Maßzahl kann man als die Differenz zwischen Logarithmen des Zellenstroms bei verschiedenen Vorspannungen Vi, Vk oder entsprechend als die Differenz zwischen Logarithmen der gemessenen Spannung bei verschiedenen konstanten Stromwerten erhalten. Während hier Logarithmen der erfassten Größe verwendet werden, könnten andere Funktionen dieser Größen oder sogar die erfassten Werte an sich zum Berechnen einer Differenzmaßzahl verwendet werden. Während eine einfaches Differenzmaßzahl eine grobe numerische Näherung der I/V-Steigung liefert (welche nichtsdestotrotz der I/V-Steigung ähnliche Eigenschaften (Zeitunabhängigkeit, R-Wert-Abhängigkeit) aufweist), können darüber hinaus auf Wunsch bessere numerische Näherungen verwendet werden, und diese können eine verbesserte Genauigkeit bereitstellen. Numerische Näherungen der Ableitung einer Funktion sind ein gut untersuchtes Thema, und hier wird der Fachmann verschiedene Möglichkeiten erkennen. Weitere mögliche mit der unterschwelligen I/V-Steigung zusammenhängende Maßzahlen sind aus einer Betrachtung der Differenzmaßzahl ersichtlich, welche oben im Zusammenhang mit analytischen Ausdrücken der Leitung im unterschwelligen Bereich vorgeschlagen wurde. Bestimmte Beispiele werden nachfolgend anhand der 11 beschrieben.It will, of course, be appreciated that many changes and modifications can be made to the exemplary embodiment described above. For example, various other metrics dependent on the subthreshold IN characteristic of PCM cells can be envisaged. Another simple metric can be obtained as the difference between logarithms of the cell current at various bias voltages Vi, Vk, or, correspondingly, as the difference between logarithms of the measured voltage at various constant current values. While logarithms of the sensed quantity are used here, other functions of these quantities, or even the sensed values themselves, could be used to calculate a difference metric. Moreover, while a simple difference metric provides a rough numerical approximation of the I/V slope (which nevertheless has similar properties (time independence, R-value dependence) to the I/V slope), better numerical approximations can be used if desired, and these can provide improved accuracy. Numerical approximations of the derivative of a function are a well-researched topic, and those skilled in the art will recognize various possibilities here. Further possible measures related to the subliminal I/V slope can be seen from a consideration of the difference measure, which was suggested above in connection with analytical expressions of conduction in the subliminal region. Specific examples are given below using the 11 described.

11 ist eine schematische Darstellung einer PCM-Zelle, in welcher die schattierte Halbkugel das effektive Volumen der amorphen Phase im aktiven Volumen der Dicke tgst der Zelle darstellt. Das amorphe Volumen hat eine effektive Dicke ua wie in der Figur angegeben. Man geht davon aus, dass Leitung in amorphen Chalkogeniden dem thermisch aktivierten Springen von Trägern zwischen lokalen Defektzuständen (Haftstellen) zuzuschreiben ist. Die beiden Hauptmodelle für haftstellenbegrenzte Leitung in der amorphen Phase sind Poole-Leitung (Ielmini-Zhang) für hohe Defektkonzentrationen und Poole-Frenkel-Leitung für niedrige Defektkonzentrationen. Diese Modelle drücken die Abhängigkeit des Zellenstroms I von der angelegten Spannung V hinsichtlich der Temperatur T, der effektiven amorphe Dicke ua und verschiedener anderer Parameter aus. Hinsichtlich des Poole-Leitungsmodells lässt sich zeigen, dass die Differenzmaßzahl D I M = I n ( R 2 ) l n ( R 1 ) = l n ( I 2 ) l n ( I 1 ) + l n ( V 2 / V 1 ) = q d z 2 k B T u a * ( V 1 V 2 ) + ln ( V 2 / V 1 ) ist, wobei dz der mittlere Abstand zwischen Haftstellen, kB die Boltzmann-Konstante und q die Ladung eines Elektrons sind. Entsprechend kann ua geschätzt werden als: u a = q d z 2 k B T u a * [ V 1 V 2 ln ( I 1 ) ln ( I 2 ) ] 11 is a schematic representation of a PCM cell in which the shaded hemisphere represents the effective volume of the amorphous phase in the active volume of thickness t gst of the cell. The amorphous volume has an effective thickness u a as indicated in the figure. Conduction in amorphous chalcogenides is thought to be attributable to the thermally activated hopping of carriers between local defect states (traps). The two main models for trap-limited conduction in the amorphous phase are Poole conduction (Ielmini-Zhang) for high defect concentrations and Poole-Frenkel conduction for low defect concentrations. These models express the dependence of the cell current I on the applied voltage V with respect to the temperature T, the effective amorphous thickness u a , and various other parameters. Regarding the Poole conduction model, it can be shown that the difference measure D I M = I n ( R 2 ) l n ( R 1 ) = l n ( I 2 ) l n ( I 1 ) + l n ( V 2 / V 1 ) = q d z 2 k B T u a * ( V 1 V 2 ) + ln ( V 2 / V 1 ) where dz is the mean distance between traps, k B is the Boltzmann constant, and q is the charge of an electron. Accordingly, u a can be estimated as: u a = q d z 2 k B T u a * [ V 1 V 2 ln ( I 1 ) ln ( I 2 ) ]

Die auf diese Weise geschätzte effektive amorphe Dicke ua könnte in alternativen Ausführungsformen der Erfindung als eine Zellenzustandsmaßzahl verwendet werden.The effective amorphous thickness u a estimated in this way could be used as a cell state metric in alternative embodiments of the invention.

Eine entsprechende Analyse für das Poole-Frenkel-Modell zeigt, dass die Differenzmaßzahl D I M = I n ( R 2 ) l n ( R 1 ) = l n ( I 2 ) l n ( I 1 ) + l n ( V 2 / V 1 ) = q 3 / 2 k B T π ε u a * ( V 1 V 2 ) ist, wobei ε die effektive Dielektrizitätskonstante ist. Entsprechend kann u a geschätzt werden als: u a = q 3 / 2 k B T π ε u a * ( V 1 V 2 ln ( I 1 ) ln ( I 2 ) ln ( V 1 / V 2 ) ) A corresponding analysis for the Poole-Frenkel model shows that the difference measure D I M = I n ( R 2 ) l n ( R 1 ) = l n ( I 2 ) l n ( I 1 ) + l n ( V 2 / V 1 ) = q 3 / 2 k B T π ε u a * ( V 1 V 2 ) where ε is the effective dielectric constant. Accordingly, u a be estimated as: u a = q 3 / 2 k B T π ε u a * ( V 1 V 2 ln ( I 1 ) ln ( I 2 ) ln ( V 1 / V 2 ) )

Der auf diese Weise geschätzte Parameter u a könnte ebenfalls in alternativen Ausführungsformen als eine Zellenzustandsmaßzahl verwendet werden.The parameter estimated in this way u a could also be used as a cell health metric in alternative embodiments.

Es ist zu beachten, dass Ausführungsformen der Erfindung auf Wunsch andere Techniken verwenden könnten, um die Leistungsfähigkeit in Verbindung mit dem oben beschriebenen Zellenzustandsmaßzahl-System zu verbessern. Eine geschickte Kombination des Zellenzustandsmaßzahl-Systems mit anderen Techniken wie Codierung, um Drift zu bekämpfen, kann besonders eine verbesserte Leistungsfähigkeit bieten. Als ein weiteres Beispiel können die bei der Zustandserkennung verwendeten Referenzwerte auf einer dynamischen Grundlage, z.B. in regelmäßigen zeitlichen Abständen, auf der Grundlage von auf Referenzzellen oder Modellen beruhende Korrekturtechniken aktualisiert werden. Rauschen in den Messungen, das unkorreliert ist, kann auch durch Mittelung der Ergebnisse entlang der oben erörterten Linien unterdrückt werden.It should be noted that embodiments of the invention could, if desired, utilize other techniques to improve performance in conjunction with the cell state metric system described above. A clever combination of the cell state metric system with other techniques, such as coding to combat drift, may particularly provide improved performance. As another example, the reference values used in state detection may be updated on a dynamic basis, e.g., at regular time intervals, based on reference cell- or model-based correction techniques. Noise in the measurements that is uncorrelated may also be suppressed by averaging the results along the lines discussed above.

Viele weitere Änderungen und Modifikationen können an den beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen vorgenommen werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.Many other changes and modifications may be made to the described exemplary embodiments without departing from the scope of the invention.

Claims (15)

Verfahren zum Ermitteln des Zustands einer Phasenwechselspeicherzelle mit einer nichtlinearen unterschwelligen Strom/Spannungs-Kennlinie, wobei das Verfahren aufweist: Durchführen einer Vielzahl von von der nichtlinearen unterschwelligen Strom/Spannungs-Kennlinie der Zelle abhängigen Messungen; Verarbeiten der Messwerte mittels Differenzen (log R1 - log R2), um eine Maßzahl zu erhalten, welche von der Steigung der Strom/Spannungs-Kennlinie abhängig und vom absoluten Zellenwiderstand unabhängig ist; und Ermitteln des Zustands der Zelle in Abhängigkeit von der Maßzahl.A method for determining the state of a phase-change memory cell having a nonlinear sub-threshold current/voltage characteristic, the method comprising: performing a plurality of measurements dependent on the nonlinear sub-threshold current/voltage characteristic of the cell; processing the measured values by means of differences (log R 1 - log R 2 ) to obtain a metric that is dependent on the slope of the current/voltage characteristic and independent of the absolute cell resistance; and determining the state of the cell as a function of the metric. Verfahren nach Anspruch 1 zum Ermitteln des Zustands einer s-Zustands-Phasenwechselspeicherzelle mit s>2, wobei Verfahren das Ermitteln des Zustands der Zelle durch Vergleichen der Maßzahl mit einer Vielzahl von Referenzwerten beinhaltet, welche den s Zuständen der Zelle entsprechen.Procedure according to Claim 1 for determining the state of an s-state phase change memory cell with s>2, the method comprising determining the state of the cell by comparing the measure with a plurality of reference values corresponding to the s states of the cell. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, welches das Durchführen einer Vielzahl von Messungen des Zellenstroms bei verschiedenen Zellenvorspannungen beinhaltet, wobei die Maßzahl von Differenzen in einer Funktion des gemessenen Zellenstroms bei den verschiedenen Vorspannungen abhängig ist.Procedure according to Claim 1 or Claim 2 , which involves performing a plurality of measurements of the cell current at different cell bias voltages, wherein the measure depends on differences in a function of the measured cell current at the different bias voltages. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, welches das Durchführen einer Vielzahl von Messungen der Spannung über der Zelle für verschiedene zugeführte Zellenströme beinhaltet, wobei die Maßzahl von Differenzen in einer Funktion der gemessenen Zellenspannung bei den verschiedenen zugeführten Strömen abhängig ist.Procedure according to Claim 1 or Claim 2 , which involves performing a plurality of measurements of the voltage across the cell for different supplied cell currents, wherein the measure depends on differences in a function of the measured cell voltage at the different supplied currents. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, welches das Durchführen einer Vielzahl von Messungen des Zellenwiderstands an verschiedenen Punkten der Strom/Spannungs-Kennlinie beinhaltet, wobei die Maßzahl von Differenzen in einer Funktion des gemessenen Zellenwiderstands an den verschiedenen Punkten abhängig ist.Procedure according to Claim 1 or Claim 2 , which involves performing a plurality of measurements of the cell resistance at different points on the current/voltage characteristic curve, the measure being dependent on differences in a function of the measured cell resistance at the different points. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Funktion des gemessenen Werts einen Logarithmus dieses Werts aufweist.Procedure according to one of the Claims 3 until 5 , where the function of the measured value has a logarithm of this value. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Maßzahl von der effektiven amorphen Dicke (ua) in der Zelle abhängig ist.Method according to one of the preceding claims, wherein the measure depends on the effective amorphous thickness (u a ) in the cell. Verfahren nach Anspruch 7, wobei als Maßzahl eine Schätzung der effektiven amorphen Dicke (ua) in der Zelle verwendet wird.Procedure according to Claim 7 , where an estimate of the effective amorphous thickness (u a ) in the cell is used as a measure. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, welches das Ausführen von mehr als zwei Messungen beinhaltet, wobei das Verarbeiten einen Mittelwertbildungsprozess beinhaltet.A method according to any one of the preceding claims, which includes performing more than two measurements, wherein the processing includes an averaging process. Vorrichtung zum Ermitteln des Zustands einer Phasenwechselspeicherzelle mit einer nichtlinearen unterschwelligen Strom/Spannungs-Kennlinie, wobei die Vorrichtung aufweist: eine Messschaltung (4) zum Durchführen einer Vielzahl von von der nichtlinearen unterschwelligen Strom/Spannungs-Kennlinie der Zelle abhängigen Messungen; und eine Steuereinheit (5) zum Verarbeiten der Messwerte mittels Differenzen (log R1 - log R2), um eine Maßzahl zu erhalten, welche von der Steigung der Strom/Spannungs-Kennlinie abhängig und vom absoluten Zellenwiderstand unabhängig ist, wobei die Steuereinheit (5) so eingerichtet ist, dass sie den Zustand der Zelle in Abhängigkeit von der Maßzahl ermittelt.A device for determining the state of a phase-change memory cell with a non-linear sub-threshold current/voltage characteristic, the device comprising: a measuring circuit (4) for carrying out a plurality of measurements dependent on the non-linear sub-threshold current/voltage characteristic of the cell; and a control unit (5) for processing the measured values by means of differences (log R 1 - log R 2 ) in order to obtain a metric which is dependent on the slope of the current/voltage characteristic and independent of the absolute cell resistance, the control unit (5) being configured to determine the state of the cell as a function of the metric. Vorrichtung nach Anspruch 10 zum Ermitteln des Zustands einer s-Zustands-Phasenwechselspeicherzelle mit s>2, wobei die Steuereinheit (5) so eingerichtet ist, dass sie den Zustand der Zelle durch Vergleichen der Maßzahl mit einer Vielzahl von Referenzwerten ermittelt, welche den s Zuständen der Zelle entsprechen.Device according to Claim 10 for determining the state of an s-state phase change memory cell with s>2, wherein the control unit (5) is arranged to determine the state of the cell by comparing the measure with a plurality of reference values which correspond to the s states of the cell. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder Anspruch 11, wobei die Messschaltung (4) so eingerichtet ist, dass sie eine Vielzahl von Messungen des Zellenstroms bei verschiedenen Zellenvorspannungen durchführt, und wobei die Maßzahl von Differenzen in einer Funktion des gemessenen Zellenstroms bei den verschiedenen Vorspannungen abhängig ist.Device according to Claim 10 or Claim 11 , wherein the measuring circuit (4) is arranged to carry out a plurality of measurements of the cell current at different cell bias voltages, and wherein the measure depends on differences in a function of the measured cell current at the different bias voltages. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder Anspruch 11, wobei die Messschaltung (4) so eingerichtet ist, dass sie eine Vielzahl von Messungen der Spannung über der Zelle für verschiedene zugeführte Zellenströme durchführt, und wobei die Maßzahl von Differenzen in einer Funktion der gemessenen Zellenspannung bei den verschiedenen angelegten Strömen abhängig ist.Device according to Claim 10 or Claim 11 , wherein the measuring circuit (4) is arranged to carry out a plurality of measurements of the voltage across the cell for different applied cell currents, and wherein the measure depends on differences in a function of the measured cell voltage at the different applied currents. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder Anspruch 11, wobei die Messschaltung (4) so eingerichtet ist, dass sie eine Vielzahl von Messungen des Zellenwiderstands an verschiedenen Punkten der Strom/Spannungs-Kennlinie durchführt, und wobei die Maßzahl von Differenzen in einer Funktion des gemessenen Zellenwiderstands an den verschiedenen Punkten abhängig ist.Device according to Claim 10 or Claim 11 , wherein the measuring circuit (4) is arranged to carry out a plurality of measurements of the cell resistance at different points on the current/voltage characteristic curve, and wherein the measure depends on differences in a function of the measured cell resistance at the different points. Phasenwechselspeicher Einheit (1), aufweisend: einen Speicher (2), welcher eine Vielzahl von Phasenwechselspeicherzellen mit einer nichtlinearen unterschwelligen Strom/Spannungs-Kennlinie aufweist; und eine Lese/Schreib-Vorrichtung (3) zum Lesen von Daten aus den und zum Schreiben von Daten in die Phasenwechselspeicherzellen, wobei die Lese/Schreib-Vorrichtung (3) eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14 zum Ermitteln des Zustands einer Speicherzelle enthält.Phase change memory unit (1), comprising: a memory (2) which has a plurality of phase change memory cells with a non-linear sub-threshold current/voltage characteristic; and a read/write device (3) for reading data from and writing data into the phase change memory cells, wherein the read/write device (3) comprises a device according to one of the Claims 10 until 14 to determine the state of a memory cell.
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