RU2799895C1 - Electrically controlled memory element, method for reading and writing its information state - Google Patents

Electrically controlled memory element, method for reading and writing its information state Download PDF

Info

Publication number
RU2799895C1
RU2799895C1 RU2022129569A RU2022129569A RU2799895C1 RU 2799895 C1 RU2799895 C1 RU 2799895C1 RU 2022129569 A RU2022129569 A RU 2022129569A RU 2022129569 A RU2022129569 A RU 2022129569A RU 2799895 C1 RU2799895 C1 RU 2799895C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
memory material
memory
temperature
memory element
information state
Prior art date
Application number
RU2022129569A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Аркадий Алексеевич Скворцов
Ольга Вячеславовна Володина
Дмитрий Олегович Варламов
Владимир Константинович Николаев
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский политехнический университет"(Московский Политех)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский политехнический университет"(Московский Политех) filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский политехнический университет"(Московский Политех)
Application granted granted Critical
Publication of RU2799895C1 publication Critical patent/RU2799895C1/en

Links

Abstract

FIELD: memory elements.
SUBSTANCE: invention relates to an electrically controlled memory element, in which the memory material is an aluminium film deposited on a means for controlling the energy mode of the memory material, made in the form of a silicon substrate, the contacts for supplying an electrical signal are installed on opposite sides of the memory element, the reader is made in the form of an IR sensor, as well as methods for writing and reading the information state on the memory material of this memory element.
EFFECT: manufacture of a memory element that provides greater durability during cyclic recording and erasing of the information state of the memory element due to thermal data storage; simplification of the method of reading and writing the information state of the memory element.
8 cl, 17 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретение.The field of technology to which the invention belongs.

Настоящее изобретение относится к области информатики и вычислительной техники и, в частности, к тонкопленочной ячейке памяти, содержащей программируемый материал памяти. Может быть использовано в ячейках памяти динамического запоминающего устройства.The present invention relates to the field of computer science and computer technology and, in particular, to a thin film memory cell containing a programmable memory material. Can be used in dynamic storage memory cells.

Уровень техникиState of the art

Современные компьютерные технологии, используют динамическое оперативное запоминающее устройство, DRAM (Dynamic Random Access Memory), высокой плотности, которое используется в качестве основного оперативного запоминающего устройства. DRAM сохраняет данные в процессе накопления зарядов в конденсаторе. Тем не менее, эти заряды постоянно просачиваются вследствие наличия утечки тока. Поэтому, данные в DRAM должны регулярно перезаписываться, чтобы восстановить заряды на обкладках конденсаторов, и такая операция называется обновлением.Modern computer technology uses high-density dynamic random access memory, DRAM (Dynamic Random Access Memory), which is used as the main random access memory. DRAM stores data by accumulating charges in a capacitor. However, these charges constantly leak out due to the presence of current leakage. Therefore, the data in DRAM must be regularly rewritten to restore the charges on the capacitor plates, and this operation is called a refresh.

DRAM состоит из нескольких банков, и каждый банк представляет собой двумерный массив хранения данных, где горизонтальная линия называется строкой, а вертикальная линия называется столбцом. Точки пересечения строк и столбцов образуют ячейки памяти, состоящие из конденсатора и транзистора. В процессе считывания и обновления DRAM выбирает одну строку каждый раз и извлекает все данные в строке в считывающий усилитель (который представляет собой буфер строк); этот процесс представляет операцию активации. Извлечение данных в считывающий усилитель приводит к перетеканию заряда с обкладок конденсатора, что приводит к стиранию данных в ячейке (такое поведение упоминается как разрушающее считывание). Процесс разрушающего считывания предполагает последующее обновление с целью восстановления данных на ячейке. Во время обновления строки банка DRAM после считывания в буфер строк происходит запись соответствующих данных в массив хранения данных, данная операция называется предварительным зарядом. Посредством операции активации и операции предварительного заряда, реализуется полный процесс обновления. Обновление DRAM приводит к относительно значительным дополнительным затратам в компьютерной системе [1]. К недостаткам данной системы относится разрушающее считывание и дополнительные затраты ресурсов во время считывания, т.к. DRAM не может отвечать на запрос на доступ к запоминающему устройству в процессе обновления. DRAM is made up of multiple banks and each bank is a two-dimensional storage array where the horizontal line is called a row and the vertical line is called a column. The intersection points of rows and columns form memory cells, consisting of a capacitor and a transistor. During the read and update process, the DRAM fetches one row each time and extracts all the data in the row to the read amplifier (which is a row buffer); this process represents the activation operation. Extracting data into the sense amplifier causes charge to flow from the capacitor plates, which erases the data in the cell (this behavior is referred to as a destructive read). The destructive read process involves a subsequent update in order to restore the data on the cell. When a DRAM bank row is updated after being read into the row buffer, the corresponding data is written to the storage array, an operation called precharge. Through the activation operation and the pre-charge operation, the complete renewal process is realized. Upgrading DRAM results in a relatively significant additional cost in a computer system [1]. The disadvantages of this system include destructive reading and additional resource costs during reading, because. DRAM cannot respond to a request to access the storage device during the update process.

Увеличение плотности хранения данных на базе современных оперативных запоминающих устройств типа DRAM ограничивается вероятностью появления неконтролируемых токов утечки, что приводит к потере данных, поэтому ученые со всего мира в поисках новых технологий функционирования памяти.Increasing the density of data storage based on modern DRAM random access memory devices is limited by the likelihood of uncontrolled leakage currents, which leads to data loss, so scientists from all over the world are looking for new memory technologies.

В 2008 году было опубликовано сообщение ученых из Национального университета Сингапура и Китайского университета Ренминь о возможности создания тепловой памяти, как хранилища фононной информации [2]. Тепловая память хранит данные термически, путем поддержания температуры. Представленная в публикации модель показала возможность реализации памяти на бистабильных тепловых контурах. Для создания контура предложено применение сегмента Френкеля-Конторова. Формируется одномерная нелинейная решетка, состоящая из двух таких сегментов и частицей (ячейки памяти) между ними. В основе бистабильной работы данной ячейки лежит отрицательное дифференциальное тепловое сопротивление. Устанавливаются фиксированные значения температуры источников питания и, управляя тепловой ванной, регулируется температура на частице. За счет изменения тепловых потоков сегментов частица сохраняет свое состояние на долгое время даже после отключения тепловой ванны. Считывание производится в процессе измерения температуры частицы и способствует изменению теплового состояния частицы, что приводит к стиранию данных.In 2008, scientists from the National University of Singapore and Renmin University of China published a report on the possibility of creating a thermal memory as a storage of phonon information [2]. Thermal memory stores data thermally by maintaining temperature. The model presented in the publication showed the possibility of implementing memory on bistable thermal circuits. To create a contour, the use of the Frenkel-Kontorov segment is proposed. A one-dimensional nonlinear lattice is formed, consisting of two such segments and a particle (memory cell) between them. The bistable operation of this cell is based on negative differential thermal resistance. Fixed values of the temperature of the power sources are set and, by controlling the thermal bath, the temperature on the particle is regulated. Due to the change in the heat fluxes of the segments, the particle retains its state for a long time even after the thermal bath is turned off. The reading is made during the measurement of the particle's temperature and contributes to a change in the thermal state of the particle, which leads to data erasure.

В 2014-м году французские и немецкие физики представили свою тепловую технологию для создания тепловой памяти [3]. Технология основана на применении материалов, обладающих свойствами изолятор-металл, при повышении температуры в которых происходит фазовый переход.In 2014, French and German physicists presented their thermal technology to create a thermal memory [3]. The technology is based on the use of materials with insulator-metal properties, in which a phase transition occurs when the temperature rises.

Принцип фазового перехода состоит в том, что диэлектрики, которые в нормальном состоянии имеют очень высокое сопротивление, после приложения достаточно высокого напряжения могут сформировать внутри себя проводящие нити низкого сопротивления, и по сути превратиться из диэлектрика в проводник. Физика, лежащая в основе резистивного переключения, основана на термически активируемых физических механизмах [4].The principle of phase transition is that dielectrics, which normally have very high resistance, can form low-resistance conductive filaments within themselves upon application of a sufficiently high voltage, and in effect change from a dielectric to a conductor. The physics underlying resistive switching is based on thermally activated physical mechanisms [4].

В описанной технологии используют две пластины, расположенные на расстоянии 2 см друг от друга. Материал первой пластины стекло, второй - оксид ванадия VO2, который является переходным материалом изолятор-металл. Пластины обмениваются тепловым излучением между собой, что позволяет сохранить тепловой баланс. Процесс записи идет посредством специального разогревающего излучения. При увеличении температуры пластины из оксида ванадия до 68°С происходит фазовый переход, ведущий к увеличению электропроводности пластины. Измерение электропроводности пластин позволяет осуществить процесс считывания информационного состояния.In the described technology, two plates are used, located at a distance of 2 cm from each other. The material of the first plate is glass, the second is vanadium oxide VO 2 , which is an insulator-metal transition material. The plates exchange thermal radiation with each other, which makes it possible to maintain the thermal balance. The recording process goes through a special warming radiation. With an increase in the temperature of the vanadium oxide plate to 68°C, a phase transition occurs, leading to an increase in the electrical conductivity of the plate. Measuring the electrical conductivity of the plates makes it possible to carry out the process of reading the information state.

Фононная память, основанная на эффекте Джозефсона, представленная в 2018 году учеными из Италии и Америки использует тепловой гистерезис в сверхпроводящем устройстве квантовой интерференции (СКВИД) с контролируемым потоком и температурой. Эта система обнаруживает контролируемую потоком температурную бистабильность, которая может использоваться для определения двух хорошо различимых термических логических состояний. Предложена неинвазивная (неразрушающая) схема считывания состояний памяти на основе оценки кинетической индуктивности систем.Phonon memory based on the Josephson effect, introduced in 2018 by scientists from Italy and America, uses thermal hysteresis in a superconducting quantum interference device (SQUID) with controlled flow and temperature. This system detects a flow-controlled thermal bistability that can be used to define two distinct thermal logic states. A non-invasive (non-destructive) scheme for reading memory states based on an estimate of the kinetic inductance of systems is proposed.

Приведенные тепловые модели могут применяться при формировании схем запоминающих устройств. Наибольшее развитие получили схемы резистивной памяти с произвольным доступом (RRAM - Resistive random-access memory) к ним относится магнитная память с произвольным доступом (MRAM - magnetoresistive random-access memory), реализованная на так называемых мемристорах. The above thermal models can be used in the formation of memory circuits. Resistive random-access memory (RRAM) circuits have received the greatest development; these include magnetic random-access memory (MRAM - magnetoresistive random-access memory), implemented on the so-called memristors.

Известен элемент резистивной памяти [RU 2714379 C1, опубл. 14.02.2020], который содержит подложку, расположенный на подложке активный слой и два электропроводящих электрода, контактирующих с активным слоем, при этом активный слой выполнен в составе пленки поливинилового спирта с примыкающим к ней слоем частиц фторированного графена. При подаче на электропроводящие электроды короткого импульса напряжения амплитуды, например, 2,5 В и длительностью, например, 100 нc - напряжения записи информации, достаточного для протекания электрического тока через активный слой. Активный слой переходит из высокоомного состояния, соответствующего логическому «0», в низкоомное состояние, соответствующее логической «1». Происходит формирование одного или нескольких проводящих электрический ток одномерных каналов, аналогичных филаменту, по которому начинает протекать электрический ток. Осуществляется запись информации. Для стирания записанной информации к активному слою прикладывают напряжение противоположной полярности той же величины и длительности. В результате осуществляется переход активного слоя в высокоомное состояние. Для считывания информации после открывающего импульса, длительностью, например, 100 нc, по истечении времени, например, 1 мкc, подают считывающий импульс с амплитудой напряжения 0,5 В. Недостатком данной технологии изготовления элемента памяти является длительное многослойное нанесение с применением струйной печати и последующей сушкой каждого слоя. Также в качестве недостатка можно указать относительно дорогостоящий материал электродов, изготавливаемых из серебра. Недостатком функционирования является ресурсозатратный способ стирания информации из ячейки (записи логического «0»).Known element of resistive memory [RU 2714379 C1, publ. February 14, 2020], which contains a substrate, an active layer located on the substrate and two electrically conductive electrodes in contact with the active layer, while the active layer is made as part of a polyvinyl alcohol film with a layer of fluorinated graphene particles adjacent to it. When a short voltage pulse of amplitude, for example, 2.5 V and duration, for example, 100 ns, is applied to the electrically conductive electrodes, the information recording voltage is sufficient for the flow of electric current through the active layer. The active layer transitions from a high-resistance state corresponding to a logical "0" to a low-resistance state corresponding to a logical "1". One or more one-dimensional channels conducting an electric current are formed, similar to a filament through which an electric current begins to flow. Information is being recorded. To erase the recorded information, a voltage of opposite polarity of the same magnitude and duration is applied to the active layer. As a result, the active layer transitions to a high-resistance state. To read information after an opening pulse, for example, 100 ns long, after a time elapsed, for example, 1 μs, a reading pulse with a voltage amplitude of 0.5 V is applied. Also, as a disadvantage, one can point out the relatively expensive material of electrodes made of silver. The disadvantage of functioning is a resource-intensive method of erasing information from a cell (recording a logical "0").

Известен сегнетоэлектрический элемент памяти [RU 2 668 716 C2, опубл. 02.10.2018] с дискретным набором возможных состояний числом больше двух. Элемент памяти содержит слой сегнетоэлектрика, проводящие слои по обе стороны от него и средства записи и считывания, включающие МДП-транзистор, причем слой сегнетоэлектрика выполнен сплошным или из отдельных частей, с одной стороны слоя сегнетоэлектрика выполнен сплошной проводящий слой - общий электрод в виде плавающего затвора МДП-транзистора, с другой стороны слоя сегнетоэлектрика выполнен проводящий слой в виде двух или более непересекающихся частей - электродов записи, поверх которых выполнен электрически изолированный от них и перекрывающий область канала МДП-транзистора сплошной проводящий слой - электрод считывания. Подача достаточного по величине напряжения между полупроводником МДП структуры и одним из электродов записи приведет к поляризации части сегнетоэлектрика, расположенной под этим электродом, т.е. к поляризации сегнетоэлектрика ячейки. При подаче на электрод считывания смещения (считывающее смещение) проводимость канала будет зависеть от направления поляризации сегнетоэлектрика под данным электродом. Недостатком функционирования является ресурсозатратный способ стирания информации из ячейки для записи логического «0» и ограниченное количество циклов перезаписи ячейки из сегнетоэлектрика. Known ferroelectric memory element [RU 2 668 716 C2, publ. 02.10.2018] with a discrete set of possible states, the number of which is more than two. The memory element contains a ferroelectric layer, conductive layers on both sides of it and means of recording and reading, including an MIS transistor, the ferroelectric layer being made solid or from separate parts, on one side of the ferroelectric layer there is a continuous conductive layer - a common electrode in the form of a floating gate of the MOS transistor, on the other side of the ferroelectric layer a conducting layer is made in the form of two or more non-intersecting parts - recording electrodes, on top of which it is made electrically a continuous conductive layer isolated from them and overlapping the channel area of the MIS transistor is the readout electrode. Applying a sufficient voltage between the semiconductor of the MIS structure and one of the recording electrodes will lead to the polarization of the part of the ferroelectric located under this electrode, i.e. to the polarization of the cell ferroelectric. When a bias is applied to the readout electrode (readout bias), the channel conductivity will depend on the direction of polarization of the ferroelectric under this electrode. The disadvantage of functioning is a resource-intensive method of erasing information from a cell for writing a logical "0" and a limited number of rewriting cycles of a cell from a ferroelectric.

Известна ячейка MRAM с использованием термической операции записи с пониженным током поля [RU 2599941 C2, опубл. 20.10.2016], содержащая магнитный туннельный переход, образованный из слоя запоминания, обладающего намагниченностью запоминания; опорного слоя, обладающего опорной намагниченностью, и туннельного барьерного слоя, расположенного между слоями считывания и запоминания; и линию тока, электрически соединенную с упомянутым магнитным туннельным переходом. Способ записи основан на пропускании тока нагрева по магнитному туннельному переходу для нагрева магнитного туннельного перехода; пропускании тока поля для переключения намагниченности запоминания в записанном направлении в соответствии с полярностью тока поля. Главным недостатком данной технологии является STT-эффект (spin-torque-transfer - перенос спинового момента), который ориентирует намагниченность запоминания в направлении, отличном от направления магнитного поля записи, что порождает нежелательное влияние на приложенное магнитное поле записи, такое как ассиметрия магнитного поля записи или даже ошибки записи.Known cell MRAM using thermal write operation with reduced field current [RU 2599941 C2, publ. October 20, 2016], containing a magnetic tunnel junction formed from a memory layer with a memory magnetization; a reference layer having a reference magnetization, and a tunnel barrier layer located between the reading and storage layers; and a current path electrically connected to said magnetic tunnel junction. The recording method is based on passing a heating current through the magnetic tunnel junction to heat the magnetic tunnel junction; passing the field current to switch the storage magnetization in the written direction according to the polarity of the field current. The main disadvantage of this technology is the STT (spin-torque-transfer) effect, which orients the storage magnetization in a direction different from the direction of the write magnetic field, which generates an undesirable effect on the applied write magnetic field, such as asymmetry of the write magnetic field or even write errors.

В качестве ближайшего аналога (прототипа) выбран элемент памяти с механизмом управления энергией [RU №2214009 C2, опубл. 10.10.2003], включающий тонкопленочный программируемый халькогенидный полупроводниковый материал. К конкретным полупроводниковым сплавам, используемым для изготовления запоминающих устройств, относятся халькогенидные элементы, в которых присутствуют "неподеленные пары" валентных электронов, в частности сплавы теллура Te, более предпочтительно, чтобы халькоген включал в себя смесь Te и Se. Предложенные халькогенидные материалы памяти получают посредством высокочастотного ионного распыления и напыления. Слой материала памяти наносят толщиной приблизительно от 0,02 до 0,5 мкм. Элемент памяти также содержит пару разнесенных электрических контактов для подачи электрического входного сигнала в материал памяти. Электрические контакты представляют собой тонкопленочный электрический контактный слой из Ti и W. Электрически управляемый, прямо перезаписываемый элемент памяти содержит объем материала памяти, имеющего два значения электрического сопротивления. Материал памяти может быть установлен на одно из значений электрического сопротивления в ответ на избранный электрический входной сигнал без необходимости установления на определенное исходное или стертое значение сопротивления. Значения сопротивления материала памяти можно обнаруживать электрическим способом. Предложенные элементы памяти обладают практически энергонезависимыми установочными значениями сопротивления. Иногда значение сопротивления этих элементов памяти при некоторых обстоятельствах уходит от своего первоначально установленного значения, что приводит к ухудшению хранения информации. При программировании предложенных запоминающих устройств электрическая энергия подается в импульсе тока. Импульс электрической энергии вызывает изменение в атомной структуре халькогенидного материала памяти. Структурные изменения в этих материалах возникают в результате термических и электронных явлений. Средство управления тепловой энергией включает в себя нагревательное средство для передачи тепловой энергии в часть объема материала памяти. Указанное средство выполнено в виде одного или нескольких нагревательных слоев. Нагревательные слои представляют собой тонкопленочные структуры. Один из нагревательных слоев должен быть нанесен рядом с объемом материала памяти. Каждый из нагревательных слоев содержит титано-алюминиевый нитрид. Нагревательные слои могут наноситься такими методами, как физическое осаждение из паровой фазы, включая напыление, ионное осаждение, а также осаждение ионным распылением на постоянном токе или в ВЧ-разряде, химическое осаждение из паровой фазы и плазменное химическое осаждение из паровой фазы. Точный выбор метода зависит от множества факторов, одним из которых является ограничение по температуре нанесения, налагаемое составом целевого халькогенидного материала. Недостатком данной технологии является сравнительно сложный механизм формирования слоев структуры, что ведет к удорожанию ячейки памяти. В качестве недостатка так же можно отметить вероятность неконтролируемого ухода сопротивления, приводящего к потере данных, так как отсутствует процесс регенерации и/или коррекции ошибки.As the closest analogue (prototype), a memory element with an energy management mechanism [RU No. 2214009 C2, publ. October 10, 2003], which includes a thin-film programmable chalcogenide semiconductor material. Particular semiconductor alloys used to make memory devices include chalcogenide elements in which "lone pairs" of valence electrons are present, in particular Te alloys of tellurium, more preferably the chalcogen includes a mixture of Te and Se. The proposed chalcogenide memory materials are obtained by high-frequency ion sputtering and sputtering. A layer of memory material is applied with a thickness of approximately 0.02 to 0.5 µm. The memory element also contains a pair of spaced apart electrical contacts for providing an electrical input signal to the memory material. The electrical contacts are a thin-film electrical contact layer of Ti and W. An electrically driven, directly writable memory element contains a volume of memory material having two electrical resistance values. The memory material may be set to one of the electrical resistance values in response to a selected electrical input without having to be set to a specific initial or erased resistance value. The resistance values of the memory material can be detected electrically. The proposed memory elements have practically non-volatile resistance settings. Sometimes the value of the resistance of these memory elements, under some circumstances, goes away from its originally set value, which leads to a deterioration in information storage. When programming the proposed memory devices, electrical energy is supplied in a current pulse. A pulse of electrical energy causes a change in the atomic structure of the chalcogenide memory material. Structural changes in these materials arise as a result of thermal and electronic phenomena. The thermal energy control means includes a heating means for transferring thermal energy to a volume portion of the memory material. Said means is made in the form of one or more heating layers. Heating layers are thin-film structures. One of the heating layers should be applied next to the amount of memory material. Each of the heating layers contains titanium-aluminum nitride. The heating layers can be deposited by methods such as physical vapor deposition, including sputtering, ion plating, as well as DC or RF ion sputter deposition, chemical vapor deposition, and plasma chemical vapor deposition. The exact choice of method depends on many factors, one of which is the deposition temperature limitation imposed by the composition of the target chalcogenide material. The disadvantage of this technology is a relatively complex mechanism for the formation of structure layers, which leads to an increase in the cost of the memory cell. As a disadvantage, one can also note the possibility of an uncontrolled departure of the resistance, leading to data loss, since there is no regeneration and / or error correction process.

Наиболее близким аналогом (прототипом) в части способа считывания информационного состояния электрически управляемого элемента памяти является способ считывания ячейки магнитной оперативной памяти [RU 2572464, МПК G11C 11/00, опубл. 10.01.2016г] включающий в себя: измерение значения начального сопротивления магнитного элемента с сохраненными данными, передачу первых данных поиска на слой считывания и определение соответствия между первыми данными поиска и сохраненными данными, передачу вторых данных поиска на слой считывания и определение соответствия между вторыми данными поиска и сохраненными данными, кроме этого измерение начального сопротивления включает в себя пропускание тока считывания в магнитном элементе в отсутствие внешнего магнитного поля. Передача первых данных поиска включает в себя приложение магнитного поля считывания в первом направлении и передача вторых данных поиска включает в себя приложение магнитного поля считывания во втором направлении так, чтобы сориентировать намагниченность считывания в первом и втором направлении соответственно. Определение соответствия между первыми и вторыми данными поиска и сохраненными данными включает в себя измерение первого сопротивления считывания и измерение второго сопротивления считывания путем пропускания тока считывания в магнитном элементе, когда магнитное поле приложено в первом и втором направлении соответственно. Определение соответствия дополнительно включает в себя сравнение измеренного первого и второго сопротивления считывания со значением начального сопротивления. Недостатком способа относительно заявляемого изобретения является необходимость воздействия внешним магнитным полем, что может приводить к влиянию появляющихся электромагнитных помех на чувствительные элементы интегральных схем.The closest analogue (prototype) in terms of the method of reading the information state of an electrically controlled memory element is the method of reading a magnetic RAM cell [EN 2572464, IPC G11C 11/00, publ. 01/10/2016] which includes: measuring the initial resistance value of the magnetic element with stored data, transmitting the first search data to the reading layer and determining the correspondence between the first search data and the stored data, transmitting the second search data to the reading layer and determining the correspondence between the second search data and the stored data, in addition, measuring the initial resistance includes passing the reading current in the magnetic element in the absence of an external magnetic field. Transmitting the first search data includes applying a read magnetic field in a first direction, and transmitting the second search data includes applying a read magnetic field in a second direction so as to orient the read magnetization in the first and second directions, respectively. Determining the correspondence between the first and second search data and the stored data includes measuring the first read resistance and measuring the second read resistance by passing a read current in the magnetic element when the magnetic field is applied in the first and second directions, respectively. Determining the match further includes comparing the measured first and second read resistances with an initial resistance value. The disadvantage of the method in relation to the claimed invention is the need for exposure to an external magnetic field, which can lead to the effect of emerging electromagnetic interference on the sensitive elements of integrated circuits.

Наиболее близким аналогом (прототипом) в части способа записи информационного состояния на электрически управляемый элемент памяти является способ записи ячейки магнитной оперативной памяти [RU 2572464, МПК G11C 11/00, опубл. 10.01.2016 г] включающий в себя нагрев магнитного элемента до температуры выше первого заранее определенного высокого температурного порога, приложение магнитного поля записи так, чтобы сориентировать первую намагниченность хранения и вторую намагниченность хранения в соответствии с магнитным полем записи, кроме этого магнитное поле записи прикладывается в первом направлении для сохранения первых данных или во втором направлении для сохранения вторых данных, дополнительно включающий в себя охлаждение магнитного элемента ниже второго заранее определенного высокого температурного порога, магнитное поле записи прикладывается в первом направлении, и дополнительно включающий в себя: охлаждение магнитного элемента до промежуточной температуры, заключенной ниже первого заранее определенного высокого температурного порога и выше второго заранее определенного высокого температурного порога, приложение магнитного поля записи во втором направлении, противоположном первому направлению, так, чтобы сориентировать вторую намагниченность хранения во втором направлении в соответствии с магнитным полем записи для хранения третьих данных, и охлаждение магнитного элемента ниже второго заранее определенного высокого температурного порога. Недостатками способа относительно заявляемого изобретения является необходимость воздействия внешним магнитным полем, что может приводить к появлению электромагнитных помех и их влиянию на чувствительные элементы интегральных схем, охлаждение магнитного элемента ниже второго заранее определенного высокого температурного порога для фиксации информационного состояния, соответствующего логической «1».The closest analogue (prototype) in terms of the method of recording an information state on an electrically controlled memory element is a method of recording a magnetic random access memory cell [EN 2572464, IPC G11C 11/00, publ. 01/10/2016] comprising heating the magnetic element to a temperature above the first predetermined high temperature threshold, applying the recording magnetic field so as to orient the first storage magnetization and the second storage magnetization in accordance with the recording magnetic field, in addition, the recording magnetic field is applied in the first direction to store the first data or in the second direction to store the second data, further comprising cooling the magnetic element below the second predetermined high temperature threshold, the recording magnetic field is applied in the first direction, and further comprising: cooling the magnetic element to an intermediate temperature below the first predetermined high temperature threshold and above the second predetermined high temperature threshold, applying the recording magnetic field in a second direction opposite to the first direction so as to orient the second storage magnetization in the second direction in accordance with the recording magnetic field for storing the third data, and cooling the magnetic element below the second predetermined high temperature threshold. The disadvantages of the method in relation to the claimed invention is the need for exposure to an external magnetic field, which can lead to the appearance of electromagnetic interference and their influence on the sensitive elements of integrated circuits, the cooling of the magnetic element below the second predetermined high temperature threshold to fix the information state corresponding to the logical "1".

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Задачей заявляемого изобретения является создание электрически управляемого элемента памяти на системе металлизации с двумя возможными информационными состояниями, способного обеспечить термическое хранение данных, путем поддержания температуры, в отличие от аналога, и разработка способа записи и считывания его информационного состояния.The objective of the claimed invention is to create an electrically controlled memory element on a metallization system with two possible information states, capable of providing thermal storage of data by maintaining the temperature, unlike analogues, and developing a method for recording and reading its information state.

В основу заявляемого изобретения положена техническая задача, заключающаяся в упрощении конструкции и упрощении изготовления элемента памяти, обеспечивающего термическое хранение данных, с управлением энергетическим режимом материала памяти посредством кремниевой подложки, в упрощении способа считывания и записи информационного состояния элемента памяти, обеспечении большей долговечности при циклических записи и стирании.The claimed invention is based on a technical problem, which consists in simplifying the design and manufacturing of a memory element that provides thermal storage of data, with the control of the energy mode of the memory material by means of a silicon substrate, in simplifying the method of reading and writing the information state of the memory element, ensuring greater durability during cyclic recording and erasing.

Поставленная техническая задача решается (достигается) тем, что электрически управляемый элемент памяти содержит материал памяти с двумя разнесенными электрическими контактами подачи электрического сигнала в упомянутый материал памяти, считывающее устройство, средство управления энергетическим режимом материала памяти, при этом материал памяти представляет собой пленку алюминия, нанесенную на средство управления энергетическим режимом материала памяти, выполненное в виде кремниевой подложки, контакты подачи электрического сигнала установлены на противоположных сторонах элемента памяти, а считывающее устройство выполнено в виде ИК-датчика. В частном случае в электрически управляемом элементе памяти материал памяти изготовлен с помощью вакуумного напыления электронно-лучевым методом испарения металла. Дополнительно по периметру материала памяти равноудаленно могут быть установлены контакты регистрации его электрического состояния в количестве от 6 до 12 штук.The technical problem is solved (achieved) by the fact that the electrically controlled memory element contains a memory material with two spaced electrical contacts for supplying an electrical signal to the said memory material, a reader, a means for controlling the energy mode of the memory material, while the memory material is an aluminum film deposited on the means for controlling the energy mode of the memory material, made in the form of a silicon substrate, the contacts for supplying an electrical signal are installed on opposite sides of the memory element, and the reader is made in the form of an IR sensor . In a particular case, in an electrically controlled memory element, the memory material is made using vacuum deposition by the electron-beam method of metal evaporation. Additionally, along the perimeter of the memory material, contacts for registering its electrical state can be installed equidistantly in an amount of 6 to 12 pieces.

Далее настоящее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на прилагаемые фигуры, где: Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying figures, where:

Фиг.1 - регистрация температуры материала памяти с 6 контактами регистрации;Fig.1 - registration of the temperature of the memory material with 6 registration contacts;

Фиг.2 - регистрация температуры материала памяти с 8 контактами регистрации; Fig.2 - registration of the temperature of the memory material with 8 registration contacts;

Фиг.3 - регистрация температуры материала памяти с 10 контактами регистрации;Fig.3 - registration of the temperature of the memory material with 10 registration contacts;

Фиг.4 - регистрация температуры материала памяти с 12 контактами регистрации;Fig.4 - registration of the temperature of the memory material with 12 registration contacts;

Фиг.5 - графики изменения температуры материала памяти после нагрева на 1°C, 2°C или 3°C Fig.5 - Graphs of the change in temperature of the memory material after heating by 1°C, 2°C or 3°C

Фиг.6 - график с определённым вторым температурным порогом;Fig. 6 is a graph with a defined second temperature threshold;

Фиг.7 - график наблюдения в течение 8 минут за хранением логической «1» на материале памяти;Fig. 7 is a graph of observing for 8 minutes the storage of a logical "1" on the memory material;

Фиг.8 - графики нагрева и остывания материала памяти: a) нагрев материала памяти при изменении температуры на 1°C; b) нагрев материала памяти при изменении температуры на 2°C;Fig. 8 graphs of heating and cooling of the memory material: a) heating of the memory material with a temperature change of 1°C; b) heating the memory material with a temperature change of 2°C;

Фиг.9 - график нагрева материала памяти на 1°C, построенный с помощью программного обеспечения;Fig. 9 is a plot of 1°C heating of memory material, plotted by software;

Фиг.10 - график нагрева материала памяти с использованием 4 и 5 импульсов тока;Fig. 10 is a graph of the heating of the memory material using 4 and 5 current pulses;

Фиг.11 - график нагрева материала памяти с использованием от 6 до 8 импульсов тока;Fig. 11 is a graph of heating the memory material using 6 to 8 current pulses;

Фиг.12 - электрически управляемый элемент памяти, выполненный на системе металлизации;Fig.12 - electrically controlled memory element, made on the system of metallization;

Фиг.13 - материал памяти;Fig.13 - memory material;

Фиг.14 - система металлизации 2 и ИК-датчик 3 образуют электрически управляемый элемент памяти 1;Fig.14 - the system of metallization 2 and the IR sensor 3 form an electrically controlled memory element 1;

Фиг.15 - модель временной диаграммы работы электрически управляемого элемента памяти; Fig.15 is a model of the timing diagram of the operation of an electrically controlled memory element;

Фиг.16 - графический результат проведения эксперимента по оценке импульсного воздействия на материал памяти; Fig.16 is a graphical result of the experiment to evaluate the impulse impact on the memory material;

Фиг.17 - испытательный макет электрически управляемого элемента памяти. 17 is a test layout of an electrically controlled memory element.

Регистрация электрического состояния элемента памяти позволяет регистрировать фронт теплового потока, возникающего в результате нагрева и остывания материала памяти, причем чем больше контактов регистрации его электрического состояния, тем точнее можно определить распределение температуры в материале памяти. На фиг. 1 изображен вариант регистрации температуры материала памяти с 6 контактами регистрации и приведен фронт распространения теплового потока, снятый при нагреве элемента памяти. Registration of the electrical state of the memory element makes it possible to register the front of the heat flow resulting from heating and cooling of the memory material, and the more contacts for registering its electrical state, the more accurately it is possible to determine the temperature distribution in the memory material. In FIG. Figure 1 shows a variant of recording the temperature of the memory material with 6 recording contacts and shows the heat flux propagation front, taken when the memory element was heated.

На фиг. 2 изображен вариант регистрации температуры материала памяти с 8 контактами регистрации и приведен фронт распространения теплового потока, снятый при нагреве элемента памяти.In FIG. Figure 2 shows a variant of recording the temperature of the memory material with 8 recording contacts and shows the heat flux propagation front, taken when the memory element was heated.

На фиг. 3 изображен вариант регистрации температуры материала памяти с 10 контактами регистрации и приведен фронт распространения теплового потока, снятый при нагреве элемента памяти.In FIG. Figure 3 shows a variant of recording the temperature of the memory material with 10 recording contacts and shows the heat flux propagation front, taken when the memory element was heated.

На фиг. 4 изображен вариант регистрации температуры материала памяти с 12 контактами регистрации и приведен фронт распространения теплового потока, снятый при нагреве элемента памяти. In FIG. Figure 4 shows a variant of recording the temperature of the memory material with 12 recording contacts and shows the heat flux propagation front, taken when the memory element was heated.

Таким образом, физическая реализация элемента памяти в предложенном размере не позволяет разместить более 12 контактов регистрации электрического состояния.Thus, the physical implementation of the memory element in the proposed size does not allow placing more than 12 electrical state registration contacts.

По способу считывания информационного состояния с электрически управляемого элемента памяти технический результат достигается за счет того, что осуществляется измерение значения начального показателя с сохраненными данными, определение соответствия между первыми данными поиска и сохраненными данными и определение соответствия между вторыми данными поиска и сохраненными данными, при этом значение начального показателя получено путем измерения ИК-датчиком температуры материала памяти после снижения скорости остывания, определение соответствия между первыми и вторыми данными поиска и сохраненными данными включает в себя определение первого температурного порога и второго температурного порога путем вычисления значения информационного состояния логической «1» и значения информационного состояния логического «0» от температуры материала памяти, измеренной после снижения скорости остывания материала памяти, определение соответствия дополнительно включает в себя сравнение первого и второго температурного порога со значением начальной температуры материала памяти. В частном случае вычисление значения информационного состояния логической «1» равно значению температуры материала памяти, измеренной после снижения скорости остывания, увеличенному на 0,5°C, и вычисление значения информационного состояния логического «0» равно значению температуры материала памяти, измеренной после снижения скорости остывания, уменьшенному на 0,3°C.According to the method of reading the information state from an electrically controlled memory element, the technical result is achieved by measuring the value of the initial indicator with the stored data, determining the correspondence between the first search data and the stored data and determining the correspondence between the second search data and the stored data, while the value of the initial indicator is obtained by measuring the temperature of the memory material with an IR sensor after the cooling rate is reduced, determining the correspondence between the first and second search data and the stored data includes determining the first temperature threshold and the second temperature threshold by calculating the value of the information state log logical "1" and the value of the information state of the logical "0" from the temperature of the memory material, measured after the cooling rate of the memory material is reduced, determining the correspondence further includes comparing the first and second temperature thresholds with the value of the initial temperature of the memory material. In a particular case, the calculation of the value of the information state of logical "1" is equal to the value of the temperature of the memory material, measured after a decrease in the cooling rate, increased by 0.5°C, and the calculation of the value of the information state of logical "0" is equal to the value of the temperature of the memory material, measured after a decrease in the cooling rate, reduced by 0.3°C.

Накопленные в период исследования данные отражены в графиках изменения температуры, представленных на фиг.5 и показывающих, что быстрое линейное остывание материала памяти происходит в среднем через 5 сек после нагрева структуры на 2°C. Поэтому значение температуры материала памяти после снижения скорости остывания измеряют через 5 секунд после нагрева материала памяти. The data accumulated during the study period are reflected in the graphs of temperature changes presented in Fig. 5 and showing that the fast linear cooling of the memory material occurs on average 5 seconds after the structure is heated by 2°C. Therefore, the temperature value of the memory material after the cooling rate is reduced is measured 5 seconds after the memory material is heated.

Экспериментально выявлено, что определение второго температурного порога путем установления значения информационного состояния логического «0», равное значению температуры материала памяти после снижения скорости остывания приводит к потере сохраненных данных из-за перехода температуры материала памяти ниже уровня второго температурного порога (Фиг. 6). Поэтому значение информационного состояния логического «0» вычисляют от температуры материала памяти, измеренной после снижения скорости остывания, уменьшая ее на 0,3°C, и таким образом определяют второй температурный порог.It was experimentally found that the determination of the second temperature threshold by setting the value of the information state of the logical "0", equal to the temperature of the memory material after a decrease in the cooling rate, leads to the loss of stored data due to the transition of the temperature of the memory material below the level of the second temperature threshold (Fig. 6). Therefore, the information state value of the logical "0" is calculated from the temperature of the memory material measured after the cooling rate is reduced by decreasing it by 0.3°C, and thus the second temperature threshold is determined.

Экспериментальные данные подтверждают постоянное сохранение информационного состояния, записанного на электрически управляемый элемент памяти, при использовании предложенного определения второго температурного порога (Фиг.7).Experimental data confirm the permanent preservation of the information state recorded on the electrically controlled memory element, when using the proposed definition of the second temperature threshold (Fig.7).

Проведенное длительное (8 минут) тестирование электрически управляемого элемента памяти, показало, что для определения первого температурного порога необходимо и достаточно увеличивать значение температуры материала памяти после снижения скорости остывания на 0,5°C, вычисляя таким образом значение информационного состояния логической «1». (Фиг.7) Так как нагрев материала памяти происходит в среднем на два градуса, то первый температурный порог обязательно будет преодолен в момент записи информационного состояния логической «1» на электрически управляемый элемент памяти. Но в режиме поддержания тепла на электрически управляемом элементе памяти ложных переходов через первый температурный порог не произойдет.A long-term (8 minutes) testing of an electrically controlled memory element showed that in order to determine the first temperature threshold, it is necessary and sufficient to increase the temperature value of the memory material after a decrease in the cooling rate by 0.5°C, thus calculating the value of the information state of the logical "1". (Fig.7) Since the heating of the memory material occurs on average by two degrees, the first temperature threshold will certainly be overcome at the time of writing the information state of the logical "1" to the electrically controlled memory element. But in the mode of maintaining heat on the electrically controlled memory element, false transitions through the first temperature threshold will not occur.

По способу записи на электрически управляемый элемент памяти технический результат достигается за счет того, что запись информационного состояния на материал памяти включает нагрев материала памяти, охлаждение материала памяти до промежуточного температурного порога, при котором снижается скорость остывания материала памяти, и охлаждение до второго температурного порога, при этом нагрев материала памяти осуществляют пропусканием 5 импульсов тока нагрева, а для его охлаждения до промежуточного температурного порога количество импульсов тока нагрева уменьшают. Охлаждение до второго температурного порога может быть выполнено путем блокирования тока нагрева.According to the method of writing to an electrically controlled memory element, the technical result is achieved due to the fact that writing an information state to the memory material includes heating the memory material, cooling the memory material to an intermediate temperature threshold, at which the cooling rate of the memory material decreases, and cooling to a second temperature threshold, while heating the memory material is carried out by passing 5 heating current pulses, and for its cooling to an intermediate temperature threshold, the number of heating current pulses is reduced. Cooling down to the second temperature threshold can be done by blocking the heating current.

В процессе исследования работы электрически управляемого элемента памяти были получены графики изменения температуры материала памяти при нагревании и остывании материала памяти (Фиг.8). In the process of studying the operation of an electrically controlled memory element, graphs of the change in the temperature of the memory material during heating and cooling of the memory material were obtained (Fig.8).

Неравномерность нагрева материала памяти при изменении температуры на 1°C (Фиг. 8а) связана с расхождением частоты измерений и изменением темпа его охлаждения, т.е. появлением моментов приема показаний с ИК-датчика, соответствующих темпу охлаждения при температуре, которая будет получена при следующем обращении к ИК-датчику. График нагрева материала памяти при изменении температуры на 2°C (Фиг. 8b) показывает линейное изменение температуры материала памяти по переднему фронту за счет уменьшения влияния температуры окружающей среды и ограничения зависимости от частоты обращения к ИК-датчику. Поэтому для исключения ошибок записи информационного состояния материал памяти должен быть нагрет не менее чем на 2°C. The uneven heating of the memory material with a temperature change of 1°C (Fig. 8a) is associated with a discrepancy in the frequency of measurements and a change in the rate of its cooling, i.e. the appearance of the moments of receiving readings from the IR sensor, corresponding to the cooling rate at the temperature that will be obtained the next time the IR sensor is accessed. The graph of the heating of the memory material for a temperature change of 2°C (Fig. 8b) shows a linear change in the temperature of the memory material on the leading edge by reducing the influence of ambient temperature and limiting the dependence on the frequency of access to the IR sensor. Therefore, to eliminate errors in recording the information state, the memory material must be heated by at least 2°C.

Пропускание через материал памяти от 1 до 3 импульсов тока ведет к нагреву на один градус, чего недостаточно для исключения ошибок записи (Фиг. 9).Passing through the memory material from 1 to 3 current pulses leads to heating by one degree, which is not enough to eliminate write errors (Fig. 9).

Проведенные эксперименты по записи информационного состояния электрически управляемого элемента памяти показали, что требуемый нагрев материала памяти достигается пропусканием 4 и 5 импульсов тока. Ошибки записи исключены как в случае с 4 импульсами тока, так и с 5 импульсами тока (Фиг.10). The experiments carried out on recording the information state of an electrically controlled memory element showed that the required heating of the memory material is achieved by passing 4 and 5 current pulses. Write errors are excluded both in the case of 4 current pulses and 5 current pulses (Fig. 10).

Увеличение количества импульсов тока от 6 до 8 вызывает нагрев материала памяти на три градуса (Фиг. 11). Скорость остывания при таком нагреве сравнима со скоростью остывания при нагреве на два градуса, но увеличение времени на нагрев приведет к увеличению периода «ожидания» тепловой ячейки, когда к ней нельзя обращаться. Increasing the number of current pulses from 6 to 8 causes the memory material to heat up by three degrees (Fig. 11). The cooling rate during such heating is comparable to the cooling rate when heated by two degrees, but an increase in the heating time will increase the “waiting” period for the thermal cell, when it cannot be accessed.

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

Электрически управляемый элемент памяти выполнен на системе металлизации (фиг. 12). Система металлизации сформирована по технологическому маршруту, который включает: химическую подготовку поверхности монокристаллических пластин кремния (Si) для напыления металлизации, и которые используются в качестве средства управления энергетическим режимом материала памяти, далее производят напыление алюминия (Al), в виде пленки, с помощью вакуумного напыления электронно-лучевым методом испарения металла и проводят оптическую фотолитографию для получения системы металлизации с шириной проводящей дорожки 75 мкм и длиной - 4*103мкм. Толщина пленки металлизации составляет 2÷3 мкм. Длина полупроводникового основания составляет 1*104 мкм, ширина 5*103 мкм.An electrically controlled memory element is made on a metallization system (Fig. 12). The metallization system is formed according to the technological route, which includes: chemical preparation of the surface of single-crystal silicon (Si) wafers for metallization deposition, and which are used as a means of controlling the energy mode of the memory material, then aluminum (Al) is deposited in the form of a film using vacuum deposition by the electron beam method of metal evaporation and optical photolithography is carried out to obtain a metallization system with a conducting track width of 75 μm and a length of 4 * 10 3 μm. The thickness of the metallization film is 2÷3 µm. The length of the semiconductor base is 1*10 4 µm, the width is 5*10 3 µm.

Проводящая дорожка, проходящая от контакта I до I на фиг. 13, предназначена для переноса импульса тока в прямом и обратном направлениях и является материалом памяти. The conductive path extending from contact I to I in FIG. 13 is designed to carry a current pulse in the forward and reverse directions and is a memory material.

Система металлизации 2 и ИК-датчик 3 образуют электрически управляемый элемент памяти 1 (фиг. 14). The metallization system 2 and the IR sensor 3 form an electrically controlled memory element 1 (Fig. 14).

Электрически управляемый элемент памяти работает следующим образом.Electrically controlled memory element works as follows.

Для записи логической «1» материал памяти нагревают посредством пропускания 4 или 5 импульсов тока нагрева с коэффициентом заполнения 0,02 и амплитудой равной 2,5*1010 А/м2 на 2°C.To record a logical "1" the memory material is heated by passing 4 or 5 heating current pulses with a duty cycle of 0.02 and an amplitude of 2.5*10 10 A/m 2 per 2°C.

Стартует процесс регенерации, который поддерживает температуру материала памяти в промежуточном температурном диапазоне между первым и вторым температурными порогами, что позволяет сохранять записанное информационное состояние без ошибок. Процесс регенерации включает в себя нагрев материала памяти, посредством пропускания 2 импульсов тока нагрева с частотой 0,2 Гц, с коэффициентом заполнения 0,02 и амплитудой равной 2,5*1010 А/м2. Процесс регенерации контролируется автоматически, чтобы избежать перегрева материала памяти с дальнейшей деформацией и выходом из строя. Программа уменьшает частоту и количество импульсов подогрева, когда температура материала памяти на несколько десятых долей превышает значение первого температурного порога. The regeneration process starts, which maintains the temperature of the memory material in an intermediate temperature range between the first and second temperature thresholds, which allows you to save the recorded information state without errors. The regeneration process includes heating the memory material by passing 2 heating current pulses with a frequency of 0.2 Hz, a duty cycle of 0.02 and an amplitude of 2.5*10 10 A/m 2 . The regeneration process is controlled automatically to avoid overheating of the memory material with further deformation and failure. The program reduces the frequency and number of heating pulses when the temperature of the memory material is several tenths higher than the value of the first temperature threshold.

Необходимый нагрев с использованием устройства управления функционированием тонкопленочной ячейки памяти можно было осуществить несколькими способами: меняя амплитуду импульса тока, меняя длительность импульса или количество идущих подряд с частотой 0,02 Гц импульсов тока. Использование амплитуды меньше 2*1010 А/м2 требует увеличения количества и длительности токовых импульсов, что сказывается на периоде нагрева материала памяти. Современные тенденции по увеличению скорости работы памяти требуют поиска самых оптимальных временных характеристик работы электрически управляемого элемента памяти, таких как время нагрева, период доступа на «чтение», время подогрева, приведенные на модели временной диаграммы работы электрически управляемого элемента памяти (фиг. 15).The necessary heating using a control device for the functioning of a thin-film memory cell could be carried out in several ways: by changing the amplitude of the current pulse, changing the duration of the pulse or the number of current pulses in a row with a frequency of 0.02 Hz. The use of an amplitude less than 2*10 10 A/m 2 requires an increase in the number and duration of current pulses, which affects the heating period of the memory material. Modern trends in increasing the speed of memory operation require the search for the most optimal temporal characteristics of the operation of an electrically controlled memory element, such as heating time, access period for "reading", heating time, shown on the model of the timing diagram of the operation of an electrically controlled memory element (Fig. 15).

Поэтому амплитуду тока увеличили до 2,5*1010 А/м2 и выбрали длительность импульса равную 1 мс. Увеличение электрической мощности в эксплуатации полупроводниковых структур способствует развитию деградации систем металлизации вплоть до их оплавления. Термическое хранение данных возможно только в условиях постоянного поддержания тепла посредством подогрева. Процесс подогрева реализуется пропусканием импульсов тока через материал памяти с частотой 0,2 Гц. Что можно классифицировать как «жесткие» условия эксплуатации. Поэтому принято решение больше не увеличивать амплитуду импульса тока. Дальнейшие эксперименты были направлены на подбор оптимального количества импульсов нагрева и подогрева. Therefore, the current amplitude was increased to 2.5*10 10 A/m 2 and the pulse duration was chosen to be 1 ms. An increase in electrical power in the operation of semiconductor structures contributes to the development of degradation of metallization systems up to their melting. Thermal storage of data is only possible under conditions of constant heat maintenance through heating. The heating process is implemented by passing current pulses through the memory material with a frequency of 0.2 Hz. What can be classified as "harsh" operating conditions. Therefore, it was decided not to increase the amplitude of the current pulse any more. Further experiments were aimed at selecting the optimal number of heating and heating pulses.

Результат эксперимента с пропусканием двух импульсов тока подогрева с коэффициентом заполнения 0,02 и частотой подачи импульсов 0,2 Гц доказал правильность выбранных параметров импульсов тока для процедуры регенерации (фиг. 16)The result of the experiment with the transmission of two heating current pulses with a duty cycle of 0.02 and a pulse frequency of 0.2 Hz proved the correctness of the selected current pulse parameters for the regeneration procedure (Fig. 16)

Для записи логического «0» температура материала памяти должна стать меньше второго температурного порога, что происходит в результате блокирования тока подогрева.To write a logical "0", the temperature of the memory material must become less than the second temperature threshold, which occurs as a result of blocking the heating current.

Считывание информационного состояния происходит путем измерения ИК-датчиком значения температуры материала памяти с сохраненными данными и сравнения данной температуры со значениями первого и второго температурных порогов.The reading of the information state occurs by measuring the temperature value of the memory material with the stored data with an IR sensor and comparing this temperature with the values of the first and second temperature thresholds.

Значения первого и второго температурных порогов определяются при первом нагреве материала памяти. Вычисление ведется от температуры материала памяти после снижения скорости остывания, которая фиксируется по показаниям, принятым с ИК-датчика через 5 секунд после первого нагрева материала памяти. Значение первого температурного порога равно температуре материала памяти, после снижения скорости остывания, увеличенной на 0,5°C. Значение второго температурного порога равно температуре материала памяти, после снижения скорости остывания, уменьшенной на 0,3°C.The values of the first and second temperature thresholds are determined during the first heating of the memory material. The calculation is based on the temperature of the memory material after a decrease in the cooling rate, which is fixed according to the readings taken from the IR sensor 5 seconds after the first heating of the memory material. The value of the first temperature threshold is equal to the temperature of the memory material, after decreasing the cooling rate, increased by 0.5°C. The value of the second temperature threshold is equal to the temperature of the memory material, after reducing the cooling rate, reduced by 0.3°C.

Примеры осуществления изобретенияEXAMPLES OF CARRYING OUT THE INVENTION

На фиг. 17 представлена экспериментальная модель электрически управляемого элемента памяти 1, где в качестве ИК-датчика 3 взят Melexis MLX90614CI, а система металлизации закреплена на медной пластинке 2 и установлена в гнездо. In FIG. 17 shows an experimental model of an electrically controlled memory element 1, where Melexis MLX90614CI is taken as an IR sensor 3, and the metallization system is fixed on a copper plate 2 and installed in a socket.

Список литературыBibliography

1. ЦУЙ Цзэхань, ЧЕНЬ Миньгиу, ХУАН Юнбин. Способ и система для обновления динамического оперативного запоминающего устройства (DRAM) и устройство / Патент RU 2665883 C2, опубл. 04.09.2018г1. CUI Zehan, CHEN Mingyu, HUANG Yongbing. Method and system for updating dynamic random access memory (DRAM) and device / Patent RU 2665883 C2, publ. 04.09.2018

2. Wang, L., Li, B. Thermal memory: A storage of phononic information //Physical Review Letters, 2008, Vol.101, Iss. 26, Article № 2672032. Wang, L., Li, B. Thermal memory: A storage of phononic information // Physical Review Letters, 2008, Vol. 101, Iss. 26, Article No. 267203

3. Viacheslav Kubytskyi, Svend-Age Biehs and Philippe Ben-Abdallah Radiative Bistability and Thermal Memory// Physical Review Letters. - April 2014. - V. 113. - №73. Viacheslav Kubytskyi, Svend-Age Biehs and Philippe Ben-Abdallah Radiative Bistability and Thermal Memory// Physical Review Letters. - April 2014. - V. 113. - No. 7

4. Claudio Guarcello, Paolo Solinas, Alessandro Braggio, Massimiliano Di Ventra and Francesco Giazotto, Josephson Thermal Memory // Phys. Rev. App. - January 2018. - V.9. - №1. - P.114. Claudio Guarcello, Paolo Solinas, Alessandro Braggio, Massimiliano Di Ventra and Francesco Giazotto, Josephson Thermal Memory, Phys. Rev. app. - January 2018. - V.9. - No. 1. - P.11

5. Roldán, J.B. et.al. On the Thermal Models for Resistive Random Access Memory Circuit Simulation// Nanomaterials 2021, 11, 1261.5. Roldan, J.B. et al. On the Thermal Models for Resistive Random Access Memory Circuit Simulation// Nanomaterials 2021, 11, 1261.

6. RU 2714379 C1, опубл. 14.02.20206. RU 2714379 C1, publ. 02/14/2020

7. RU 2668716 C2, опубл. 02.10.20187. RU 2668716 C2, publ. 02.10.2018

8. RU 2599941 C2, опубл. 20.10.20168. RU 2599941 C2, publ. 20.10.2016

9. RU №2214009 C2, опубл. 10.10.20039. RU No. 2214009 C2, publ. 10.10.2003

10. RU 2572464, опубл. 10.01.2016 Бюл. № 110. RU 2572464, publ. 01/10/2016 Bull. No. 1

Claims (13)

1. Электрически управляемый элемент памяти, содержащий материал памяти с двумя разнесенными электрическими контактами подачи электрического сигнала в упомянутый материал памяти, считывающее устройство, средство управления энергетическим режимом материала памяти, отличающийся тем, что 1. An electrically controlled memory element containing a memory material with two spaced electrical contacts for supplying an electrical signal to the said memory material, a reader, a means for controlling the energy mode of the memory material, characterized in that материал памяти представляет собой пленку алюминия, нанесенную на средство управления энергетическим режимом материала памяти, выполненное в виде кремниевой подложки, контакты подачи электрического сигнала установлены на противоположных сторонах элемента памяти, а считывающее устройство выполнено в виде ИК-датчика. the memory material is an aluminum film deposited on the means for controlling the energy mode of the memory material, made in the form of a silicon substrate, the electrical signal supply contacts are installed on opposite sides of the memory element, and the reader is made in the form of an IR sensor. 2. Электрически управляемый элемент памяти по п.1, отличающийся тем, что материал памяти изготовлен с помощью вакуумного напыления электронно-лучевым методом испарения металла.2. An electrically controlled memory element according to claim 1, characterized in that the memory material is made using vacuum deposition by the electron beam method of metal evaporation. 3. Электрически управляемый элемент памяти по п.1, отличающийся тем, что дополнительно по периметру материала памяти равноудаленно установлены контакты регистрации его электрического состояния в количестве от 6 до 12 штук.3. An electrically controlled memory element according to claim 1, characterized in that, additionally, along the perimeter of the memory material, contacts for registering its electrical state are installed equidistantly in an amount of 6 to 12 pieces. 4. Способ считывания информационного состояния с электрически управляемого элемента памяти по п.1, заключающийся в измерении значения начального показателя с сохраненными данными, определении соответствия между первыми данными поиска и сохраненными данными и определении соответствия между вторыми данными поиска и сохраненными данными, отличающийся тем, что4. The method for reading the information state from the electrically controlled memory element according to claim 1, which consists in measuring the value of the initial indicator with the stored data, determining the correspondence between the first search data and the stored data, and determining the correspondence between the second search data and the stored data, characterized in that значение начального показателя получено путем измерения ИК-датчиком температуры материала памяти,the value of the initial indicator is obtained by measuring the temperature of the memory material with an IR sensor, определение соответствия между первыми и вторыми данными поиска и сохраненными данными включает в себя определение первого температурного порога и второго температурного порога путем вычисления значения информационного состояния логической «1» и значения информационного состояния логического «0» от температуры материала памяти, измеренной после снижения скорости остывания материала памяти,determining the correspondence between the first and second search data and the stored data includes determining the first temperature threshold and the second temperature threshold by calculating a logical "1" information state value and a logical "0" information state value from the temperature of the memory material measured after the cooling rate of the memory material has been reduced, определение соответствия дополнительно включает в себя сравнение первого и второго температурного порога со значением начальной температуры материала памяти.determining the match further includes comparing the first and second temperature thresholds with an initial temperature value of the memory material. 5. Способ считывания по п.4, отличающийся тем, что значение информационного состояния логической «1» равно значению температуры материала памяти, измеренной после снижения скорости остывания, увеличенному на 0,5°С.5. The reading method according to claim 4, characterized in that the value of the information state of the logical "1" is equal to the temperature value of the memory material, measured after the cooling rate has decreased, increased by 0.5°C. 6. Способ считывания по п.4, отличающийся тем, что значение информационного состояния логического «0» равно значению температуры материала памяти, измеренной после снижения скорости остывания, уменьшенному на 0,3°С.6. The reading method according to claim 4, characterized in that the value of the information state of logical "0" is equal to the temperature value of the memory material, measured after the cooling rate has decreased, reduced by 0.3°C. 7. Способ записи на электрически управляемый элемент памяти по п.1, заключающийся в записи информационного состояния на материал памяти, включающий нагрев материала памяти, охлаждение материала памяти до промежуточного температурного порога, при котором снижается скорость остывания материала памяти, и охлаждение до второго температурного порога, отличающийся тем, что 7. The method of writing to an electrically controlled memory element according to claim 1, which consists in writing an information state to the memory material, including heating the memory material, cooling the memory material to an intermediate temperature threshold, at which the cooling rate of the memory material decreases, and cooling to the second temperature threshold, characterized in that нагрев материала памяти осуществляют пропусканием от 4 до 5 импульсов тока нагрева, а для его охлаждения до промежуточного температурного порога количество импульсов тока нагрева уменьшают.the memory material is heated by passing from 4 to 5 heating current pulses, and to cool it to an intermediate temperature threshold, the number of heating current pulses is reduced. 8. Способ записи по п.7, отличающийся тем, что охлаждение до второго температурного порога может быть выполнено путем блокирования тока подогрева. 8. Recording method according to claim 7, characterized in that cooling to the second temperature threshold can be performed by blocking the heating current.
RU2022129569A 2022-11-15 Electrically controlled memory element, method for reading and writing its information state RU2799895C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2799895C1 true RU2799895C1 (en) 2023-07-13

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE69232814D1 (en) * 1991-08-19 2002-11-21 Energy Conversion Devices Inc ELECTRONICALLY ERASABLE, DIRECTLY WRITABLE MULTIBIT SINGLE CELL STORAGE ELEMENTS AND ARRANGEMENTS MADE THEREOF
RU2208267C2 (en) * 1998-06-02 2003-07-10 Тин Филм Электроникс Аса Data storage and processing device and its manufacturing process
RU2214009C2 (en) * 1997-06-19 2003-10-10 Энерджи Конвершн Дивайсиз, Инк. Memory element with energy control mechanism
RU2524415C1 (en) * 2013-04-18 2014-07-27 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" (НИЯУ МИФИ) Mixed metal oxide-based memristor
US20220139917A1 (en) * 2018-12-28 2022-05-05 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Memory device and semiconductor device including the memory device

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE69232814D1 (en) * 1991-08-19 2002-11-21 Energy Conversion Devices Inc ELECTRONICALLY ERASABLE, DIRECTLY WRITABLE MULTIBIT SINGLE CELL STORAGE ELEMENTS AND ARRANGEMENTS MADE THEREOF
RU2214009C2 (en) * 1997-06-19 2003-10-10 Энерджи Конвершн Дивайсиз, Инк. Memory element with energy control mechanism
RU2208267C2 (en) * 1998-06-02 2003-07-10 Тин Филм Электроникс Аса Data storage and processing device and its manufacturing process
RU2524415C1 (en) * 2013-04-18 2014-07-27 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" (НИЯУ МИФИ) Mixed metal oxide-based memristor
US20220139917A1 (en) * 2018-12-28 2022-05-05 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Memory device and semiconductor device including the memory device

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Yoon et al. Pt/Ta2O5/HfO2− x/Ti resistive switching memory competing with multilevel NAND flash
US6992323B2 (en) Memory cell
US7145791B2 (en) Memory device having variable resistive memory element
TWI779659B (en) Reading a multi-level memory cell
Marinella Radiation effects in advanced and emerging nonvolatile memories
US7859883B2 (en) Recordable electrical memory
RU2124765C1 (en) Composition of material of memory device, method of manufacturing thereof, energy-dependent memory device, method of manufacturing thereof, method of memorizing and reproducing two independent bits of binary data in one memory cell of energy-dependent memory device
CN113724756B (en) Nonvolatile decimal photoelectric memory based on waveguide grating structure
CN105185909A (en) Organic material resistance random access memory element and manufacturing method thereof
JP6218388B2 (en) Self-insulating conductive bridge memory device
Aziza et al. An energy-efficient current-controlled write and read scheme for resistive RAMs (RRAMs)
JP2830977B2 (en) Recording medium, recording method and recording / reproducing apparatus using the same
US20070037351A1 (en) Method of fabricating a resistance based memory device and the memory device
RU2799895C1 (en) Electrically controlled memory element, method for reading and writing its information state
US3701979A (en) Slow write-fast read memory method and system
US20120327709A1 (en) Programming of phase-change memory cells
Le Gallo et al. Phase-change memory
Chien et al. Solution for PCM and OTS intermixing on cross-point phase change memory
Lee et al. Review of candidate devices for neuromorphic applications
US11869585B2 (en) Segregation-based memory
Pan Experimental and simulation study of resistive switches for memory applications
Indaco et al. On the impact of process variability and aging on the reliability of emerging memories (Embedded tutorial)
JP2603241B2 (en) Recording device and playback device
Yin et al. Memory effect in metal–chalcogenide–metal structures for ultrahigh-density nonvolatile memories
Le Gallo Phase-Change Memory: Device Physics and Application to non-von Neumann Computing