相变存储器的高可靠性多值存储设计

摘要：

基于相变存储器(PCM) 已有的2T2R 结构，提出一种以比值为导向的状态定义方法，以实现2T2R 结构下PCM 的多值存储。它在相变电阻具有4 态可编写的能力下，可以实现单元内8 态存储，同时对小尺寸验证，而对PCM 存储电路的优化将使得PCM 更具竞争力。同样基于这种以比值为导向的状态定义，一种软硬件相结合的新型纠错码方法使得对全部数据位的错误监测成为可能。

引言

相变存储器( PCM) 是一种新型的非挥发半导体存储器，它的存储基于硫系化合物材料( 如Ge2Sb2Te5 ，GST) 在电流脉冲下出现的快速相变。 在PCM 中，相变存储材料以电阻的形式出现，其机理在于:相变材料可以在特定脉冲下，在具有两种不同结构、不同电阻率的状态间相互转化。这两种状态是高电阻率的非晶态和低电阻率的多晶态。 利用电阻的差别区分两种逻辑状态“0”和“1”是传统PCM 的核心。对比其他的非挥发存储技术，PCM 具有很多优势，如:与CMOS 工艺兼容性好，单元面积小，存储密度高等。另外，相变材料可以被编写成阻值介于完全多晶态和完全非晶态之间的多种状态，且这些状态在静态下的保持均无需任何激励。 这意味着多值存储在PCM 中将成为可能。 随着特征尺寸的减小，PCM 中的相变材料因体积缩小，相变时所需的电流、时间和所占的面积都会同步下降，这使得PCM 在向小尺寸迈进时竞争力会不断凸现。

图1 　1T1R 阵列

尺寸减小固然可以降低操作电流，但工艺波动更加不可忽视，这将使相变电阻的几何尺寸发生一定的偏差。在小尺寸下，偏差引发的几何尺寸及电阻的相对变化量可能会很大，尤其是在芯片面积很大，芯片各个位置上干扰不同时。最终将使得两种逻辑状态所对应的电阻范围分布得越来越发散，进而导致两种逻辑状态间的电阻间距不断缩小。这意味着系统噪声容限的降低，外围灵敏放大器( SenseAmplifier ，S/A) 和参考源的选用标准也将不断提高。

对于目前的PCM ，主要有两种结构的存储单元:1T1R(即1个晶体管和1 个PCR 构成1 个存储单元，如图1) 的结构，和2T2R (存储单元由2 个晶体管和2 个相变电阻(phase changeresistor ，PCR) 构成) 的结构。 其中，BL 为位线，WL 为字线，以下同。 1T1R 单元面积小，存储密度高，但需外接参考源(如图1中的V ref) 以实现2 种逻辑状态(“0”和“1”) 的区分。 在小尺寸下，2 种逻辑状态对应的电阻范围越接近，较弱的抗干扰能力就越发突出，1T1R 对S/A 和参考源的要求就越苛刻。 2T2R利用2 个1T1R 结构形成双位线互补对称输出，无需参考源。 由于作用在同一单元内2个PCR 上的外界干扰近似相同，其结果等效于在S/A 的两输入端施加共模信号，因而对存储信息几乎无影响。 因此，可靠性很高，但存储密度远低于1T1R 方案。

据我们所知，目前还没有一种结构可以同时吸取这两者的优点。 为此，提出一种新方案，在具备较好的抗干扰能力下追求高密度存储。该新方案基于一种新方法———以比值为导向的状态定义方法，使用2T2R结构，在保证很高的抗干扰能力的前提下，通过单元内的多值存储实现存储密度的大幅提升。 同样基于这种状态定义，提出一种软硬结合的ECC 方法。

新方案的提出和实现有赖于两个因素:第一，PCR 要具备多值编写的特性。 这一点，在Ovshinsky 的专利中首先得到证实，相关文献也有报道。第二，相变材料要有一个较大的电阻变化的动态范围。 很多文献已经表明:相变前后电阻率的差别达到100～1 000 倍，这无论是对于此处新方案中独特的状态定义方法还是新型的ECC ，都是足够的。

以比值为导向的状态定义和PCM 的多值存储

在基于2T2R 结构的新方案中，同一单元内的2 个PCR 电阻的比值决定该单元存储信息的状态。而相变材料本身巨大的电阻动态范围给同一单元(2T2R) 内2 个PCR 的电阻比提供了一个“宽敞”的一维比值空间(one-dimensional ratio space ，ODRS) 。这个空间可被划分为多个区间，用以表示多种不同的状态。 以每个2T2R 单元存储3 位2 进制数(即8 态) 为目标，阻值比要有8 种不同值(或不同范围) ，要求每个PCR能够被编写为4 种不同阻值范围的状态，即R1 ，R2 ，R3 ，R4 ，其中R1 R2 R3 R4 。 每个PCR 都有4种可能的状态，对应4 种电阻范围，而2 个PCR 的阻值比有多种情况。 这里，取如下的8 种阻值比代表8 态为例，实现每单元3 位二进制信息的存储。 这8 种阻值比是: R1/R4 ，R2/R4 ，R1/R3 ，R1/R2 ，R2/R1 ，R3/R1 ，R4/R2 和R4/R1 ，如图2 所示。 各种状态的区间由7 个预先设定的边界数(1 ，a ，b ，c ，1/a ，1/b ，1/c) 进行划分。

图2 　一维比值空间内8 态的定义和区分

图3 　存储单元及外围读电路

图3 是新方案下2T2R 结构和外围读电路的示意图。 BS 信号打开选定的位线，同时保证读操作时相同的位线电压。 电流驱动模块产生与PCR上流过电流等同的电流Ik 和I k+1以供S/A 比较。 外围读电路包括电流驱动模块和7 个并行的S/A 以及输出组合逻辑部分等。 7 个并行S/A 将选中单元中2 个PCR 的电阻阻值比与图2 的7 个边界数进行比较。 对应结果如表1 所示。

在表1 中，A n ( n = 0～6) 代表每个S/A 的比较结果，IRx ( x = 1～4) 则是相变电阻Rx 上流过的电流。 相同电压下，电流比I Rx∶IRy ( x ，y = 1～4)反映了同一单元内2 个电阻的阻值比。 在表1 中，当IRx 小于m 倍的IRy时，比较结果为“0”，反之为“1”。 例如，当A 0～ A 6 是“0000000”时，A 1～ A 6的“000000”意味着电流比Ik/Ik+1小于a 且其倒数I k+1/Ik 也小于a。 符合这个条件的只有: R2/R1 或R1/R2 (这里假设连接奇数位线的电阻阻值作分子，连接偶数位线的作分母，以下同) 。 而A 0 为“0”意味着连接奇数位线的