相變存儲器的高可靠性多值存儲設計

表1 　各種狀態(tài)的比較輸出結果

相關(guān)SPICE 模型和仿真結果

目前硫系化合物材料的相變物理機理至今沒(méi)有完全搞清楚。 相關(guān)文獻已證實(shí)，PCR 的阻值可通過(guò)晶化脈沖的個(gè)數加以控制。 這里提出一種相應的PCR 經(jīng)驗模型。

圖4 　具有4 態(tài)的PCR 模型

圖5 　編寫(xiě)R4/R2 ( A0～ A 6 :“0110000”)

圖 4 為所提出的雙端(A ，B) 4 態(tài)(分別對應4 種不同阻值) 可編寫(xiě)的PCR 經(jīng)驗模型。 圖中的PCR 阻值由Write脈沖的個(gè)數來(lái)控制。上面已經(jīng)討論了讀操作，這里主要針對寫(xiě)操作過(guò)程對模型和仿真進(jìn)行討論。 在編寫(xiě)前，需要首先對PCR 進(jìn)行擦除( Erase) 操作以確定編寫(xiě)的初始態(tài)。Erase 即為PCM 中的Reset 操作，將PCR 轉變?yōu)楦咦璺蔷B(tài)。 接下來(lái)的編寫(xiě)脈沖(Set ) 逐步降低PCR 阻值，使之從非晶狀態(tài)逐漸向多晶狀態(tài)轉化。 圖4 中，R 為D 觸發(fā)器的復位端。 PCR 的4 態(tài)阻值為R1 = RA//RB//RC//RD ，R2= RA//RB//RC ，R3 = RA//RB ，R4 = RA ，(忽略MOS 選通管的導通電阻RDS) 。 在執行寫(xiě)操作時(shí)，激勵源產(chǎn)生Set和Reset 脈沖。 相關(guān)電路結構可見(jiàn)文獻中圖3。 Reset 脈沖此時(shí)為擦除脈沖，將PCR 寫(xiě)為阻值最高的非晶態(tài)。 而Set 脈沖則不同于傳統2 態(tài)存儲下的情況:它并非一次性而是逐步的晶化PCR ，由此產(chǎn)生各種介于完全多晶態(tài)和完全非晶態(tài)之間的中間態(tài)。 具體的狀態(tài)轉換關(guān)系如文獻中的圖8 所示。

在多值存儲的情況下，直接編寫(xiě)是不可能的(因為編寫(xiě)脈沖和初態(tài)有關(guān)) 。 取而代之的有2 種編寫(xiě)方法，先擦除后編寫(xiě)，或先預讀再適當編寫(xiě)。 對于多值存儲下的讀操作，同樣有2 種操作方法，一次性并行讀出，或二分法串行讀出。

圖 5 是單元寫(xiě)為“010”的仿真結果。 著(zhù)重驗證全新?tīng)顟B(tài)定義的可行性，寫(xiě)操作采用“先擦除后編寫(xiě)”模式，讀操作采用并行讀出，以簡(jiǎn)化控制邏輯和時(shí)序。存儲單元和外圍電路基于0.35 μm 的CMOS 工藝，工作電壓3.5 V(一部分外圍電路的工作電壓為5 V) 。 仿真采用HSPICE。編寫(xiě)前，選中單元中2 個(gè)PCR 均被初始化(擦除) 為R4 狀態(tài)(如圖2 ，R4 代表最高阻的非晶態(tài)) 。 讀出時(shí)，對單元內2 個(gè)PCR 施加相同的激勵電壓，通過(guò)比較PCR 上的電流以確定阻值比。針對“010”的情況(其最終狀態(tài)是R4/R2) ，隨后的編寫(xiě)只針對連接偶數位線(xiàn)的那個(gè)PCR。 圖5 中，從上到下分別是編寫(xiě)脈沖V 1 、擦除脈沖V 2 (初始化) 、S/A 預充電脈沖V 3 和輸出比較結果A 0～ A 6 的時(shí)序波形圖。 根據表1 ，初始化后，偶數位線(xiàn)上的2 個(gè)連續脈沖即可使該位線(xiàn)所接的PCR從R4 狀態(tài)轉化為R2 ，且比較輸出結果A 0～ A 6 應該為“0110000”(對應3 位二進(jìn)制輸出“010”) 。 仿真結果完全吻合。

優(yōu)　化

讀寫(xiě)操作的優(yōu)化

寫(xiě)：PCM 中讀操作功耗很小，且讀操作比寫(xiě)和擦除操作快得多(尤其和晶化PCR 的SET 操作相比)，因此預讀后編寫(xiě)相對于先擦除后編寫(xiě)模式，在功耗和速度上均有優(yōu)勢。

讀：PCM 中讀操作速度快、低功耗的特點(diǎn)有利于采用二分法串行讀出模式而非并行模式，且在8 態(tài)存儲下其外圍電路相對簡(jiǎn)單。 故采用預讀的寫(xiě)模式和二分法串行讀出模式。

圖6 　可實(shí)現7 種不同比較的S/A

外圍電路的優(yōu)化

在二分法串行讀出模式中，并行讀出所需的7 個(gè)S/A 和相應的電流驅動(dòng)模塊由1 個(gè)可配置的S/A 代替，如圖6 所示。 該S/A 可完成7 種不同的比較。 其中，M3 ，M5 ，M7 的寬長(cháng)比，分別是M1 的b-a ，a-1 ，c-a倍。 而M4 ，M6 ，M8 的寬長(cháng)比是M2 的b - a ，a - 1 ，c - a 倍。 合理設定控制信號X1 ，X2 ，X3 ，C 和D可以實(shí)現兩股輸入電流I0 和I1 的各種比較，如I0 與b 倍的I1 比較等。 采用這種S/A 后，外圍的S/A 數目明顯減少，有利于提高存儲密度。 同時(shí)由于PCM 讀操作速度相對寫(xiě)操作較快，串行讀出對電路的速度造成的影響很小。

新型軟硬結合的ECC 糾錯方法

針對信息存儲中可能的出錯，傳統方法是應用ECC 校驗糾錯，以Hamming 碼為代表。 但這種方法所需的電路結構復雜，成本昂貴且降低了存儲密度。

對PCM 而言，出錯主要體現為PCR 的阻值漂移。 這里，同樣基于以比值為導向的狀態(tài)定義，在利用PCR 較大的動(dòng)態(tài)電阻范圍的基礎上，提出一種軟硬件結合的ECC 方法。

圖7 　帶有DEM 功能的8 態(tài)定義及其分布情況

圖 7 是帶有漂移錯誤監測(drift errormonitoring ，DEM) 功能的狀態(tài)分布圖。相變材料提供的大動(dòng)態(tài)電阻變化范圍使得比值的一維區間在劃分出多種存儲狀態(tài)所對應的各區間后，仍有足夠的空間可供使用。這些剩余的空間可以劃分成幾部分而位于各個(gè)存儲狀態(tài)所對應的比值區間之間，稱(chēng)之為“禁區”，如陰影所示。 即:一旦同一單元內2 個(gè)PCR的電阻比值( RO/RE ，RO ，RE 分別為奇數和偶數位線(xiàn)上的PCR 阻值) 落入這些禁區，就認為是發(fā)生了錯誤。 2T2R 單元內2 個(gè)PCR 受到外界幾乎相同的干擾，而幾乎相同程度的阻值漂移將使得其電阻比值基本保持不變，故而電阻阻值比難以逾越這些“禁區”而從一狀態(tài)直接跳變?yōu)榱硪粻顟B(tài)。因此，一旦出錯，原正確狀態(tài)必是“禁區”兩側緊鄰的兩種狀態(tài)之一(而不是像傳統ECC 那樣，在8 種狀態(tài)中判斷) 。 這就大大降低了后繼ECC 找錯和糾錯的難度，簡(jiǎn)化了外圍電路，有利于高密度下的安全存儲。