DE102005030143B4

DE102005030143B4 - Speicherelement für eine nichtflüchtige Speicherung unter Verwendung von Widerstandselementen

Info

Publication number: DE102005030143B4
Application number: DE102005030143A
Authority: DE
Inventors: Tim Schönauer; Michael Kund; Thomas Niedermeier; Jörg BERTHOLD
Original assignee: Qimonda AG
Current assignee: Polaris Innovations Ltd
Priority date: 2005-06-28
Filing date: 2005-06-28
Publication date: 2008-10-30
Anticipated expiration: 2025-06-29
Also published as: US20070002618A1; DE102005063405B4; US7400526B2; DE102005063405A1; DE102005030143A1

Abstract

Speicherelement mit:
einem Widerstandselement (101, R1, R2) mit einem ersten Widerstandswert in einem ersten Zustand und einem zweiten Widerstandswert in einem zweiten Zustand, wobei das Widerstandselement (101, R1, R2) von dem ersten Zustand in den zweiten Zustand und von dem zweiten Zustand in den ersten Zustand überführbar ist, und wobei der erste Widerstandswert und der zweite Widerstandswert unterschiedlich sind;
einer Stromerzeugungseinrichtung (107), die mit einem ersten Anschluss (103) des Widerstandselements (101, R1, R2) gekoppelt ist, wobei die Stromerzeugungseinrichtung ausgebildet ist, um beim Anliegen eines vorbestimmten Potentials an einem zweiten Anschluss (105) des Widerstandselements einen Strom mit einer ersten Amplitude durch das Widerstandselement (101, R1, R2) zu erzeugen, um das Widerstandselement (101, R1, R2) zum Einstellen des ersten Widerstandswertes in den ersten Zustand zu überführen, oder um beim Anliegen des vorbestimmten Potentials an dem zweiten Anschluss (105) des Widerstandselements (101, R1, R2) einen Strom mit einer zweiten Amplitude durch...

Description

Die Erfindung betrifft nichtflüchtige Speicherung unter Verwendung von Widerstandselementen, insbesondere unter Verwendung von Phase-Change-Memory-Elementen (PCM).
Speicherzellen werden in allen Anwendungen benötigt, die eine Datenspeicherung erfordern. Typische Halbleiter-Schaltkreise umfassen Datenspeicherzellen, die entweder zwischen logischen Elementen, wie z. B. Auffangregistern (latch), oder die als Blockspeicher, wie beispielsweise SRAM (Static Random Access Memory), ausgebildet sind. Ein Blockspeicher besteht typischerweise aus einem Array von Speicherzellen, wobei gleichzeitig nur einige wenige Zellen einer Schreib- oder einer Auslese-Operation unterworfen werden. Daher können die Spalten eines Blockspeicher-Arrays gemeinsame flächenaufwändige Elemente aufweisen, wie z. B. Leseverstärker, die die Speicher- oder Auslese-Operation unterstützen. Andererseits kann es im Falle von verteilten Datenspeicherzellen, die z. B. ein Teil eines logischen Schaltkreises sind, erforderlich sein, dass diese Zellen die gespeicherte Information dauerhaft liefern, wenn die Zelle andauernd ausgelesen wird.
Es gibt eine Vielzahl von Implementierungen der flüchtigen Speicherzellen, bei denen die gespeicherte Information beim Abschalten der Versorgungsleistung verloren geht, und von nichtflüchtigen Speicherzellen. In 4a bis 4c sind einige aus dem Stand der Technik bekannte Speicherzellen dargestellt, wobei in 4a eine 6T-SRAM-Zelle, in 4b eine Flash-Zelle, und 4c eine Latch-Zelle gezeigt ist.
Nachteilig an den SRAM-Zellen und den Latch-Zellen ist, dass sie flüchtig sind und einen erheblichen Flächenbedarf aufweisen. Die Flash-Technologie benötigt eine zweite, hohe Versorgungsspannung (12 V–18 V), zu deren Erzeugung flächenver brauchende Spannungspumpen, die z. B. ein Übersprechen verursachen, notwendig sind. Die Flash-Technologie zeichnet sich ferner durch ein nur begrenztes Skalierungspotential aus und erlaubt nur eine begrenzte Anzahl von Schreibzyklen.
Moderne Speichertechnologien umfassen typischerweise große Speichermodule, die auf Wiederstandselementen, wie z. B. ferroelektrische Direktzugriffspeichern (Random Access Memory; RAM), magnetoresistiven RAMs oder Phasenwechsel-RAMs (Phase-Change RAMs) basieren. Diese Architekturen zielen jedoch meist auf die oben genannten Array-basierten Blockspeicher ab, wobei nur einige Zellen gleichzeitig ausgelesen werden.
Eine vielversprechende Technologie für Speicherschaltkreise ist die bereits erwähnte Phasenwechsel-Speicher-Technologie (Phase-Change-Memory; PCM), deren Charakteristik der Charakteristik von zwei programmierbaren Widerstandselementen R1 und R2 nahe kommt. Das grundlegende Prinzip der PCM-Elemente basiert auf einem thermisch herbeigeführten, reversiblen Phasenwechsel zwischen einer amorphen und einer kristallinen (z. B. polykristallinen) Phase eines Chalkogenid-Glases.
Der amorphe Zustand ergibt einen hohen, der polykristalline Zustand hingegen einen niedrigen Widerstand. Der Phasenwechsel wird durch Wärme herbeigeführt, die aufgrund eines Stromflusses durch das Widerstandselement entsteht. Die Dauer und die Stärke des Stroms bestimmt, ob das Element anschließend einen hohen oder einen niedrigen Widerstandswert aufweist. Die Phase-Change-Technologie wird gegenwärtig hinsichtlich deren Verwendung insbesondere in Blockspeichern intensiv erforscht. Typische Werte für Phase-Change-Elemente sind ein Rücksetzstrom (Reset-Strom, an to off) von 200 μA über 10 ns und ein anschließender Widerstandswert Roff im Bereich von 1 MΩ, sowie ein Setzstrom (Set-Strom, off to on) von etwa 50 μA und 50 ns Dauer, der in einem anschließenden Widerstandswert Ron im Bereich von 10 kΩ resultiert.
Nichtflüchtige Speicherzellen, die programmierbare Widerstandselemente verwenden, sind aus dem Stand der Technik bekannt. US 2004/0125643 A1 offenbart eine nichtflüchtige Speicherzelle, die in 4d dargestellt ist. Der Schaltkreis umfasst einen Schreib-/Lese-Controller (20), zwei programmierbare Widerstandselemente (R1 und R2) sowie einen Schalter (SW2). Die Widerstandselemente werden basierend auf der PCM-Technologie programmiert. Während der Schreib-Operation wird durch eine Wahl der geeigneten Polaritäten der Kontrollsignale WRC1, WRC2 und WRC3 ein Strom durch die Widerstandselemente R1 oder/und R2 erzwungen, wodurch sie programmiert werden. Während der Auslese-Operation wird durch ein Anlegen eines niedrigen WRC2 (WRC2 = low) und eines hohen WRC3 (WRC3 = high) ein Transmissions-Tor (20, transmission gate) in einen nichtleitenden Zustand überführt, sodass sich am Knoten F, in Abhängigkeit von den Zuständen der Widerstandselemente und der Knoten D und E, ein Spannungspegel einstellt, der den Schalter SW2 steuert.
Nachteilig an dem obigen Konzept ist die unflexible Schreib-Operation. PCM-Elemente werden typischerweise in den hochohmigen Zustand unter Verwendung eines Stroms einer hohen Amplitude für eine kurze Zeitdauer und in den niederohmigen Zustand unter Verwendung eines niedrigeren Stroms für eine längere Zeitdauer programmiert. Hierzu müssen über R1 und R2 verschiedene Spannungen erzeugt werden, sodass die Amplituden der Ströme durch die Widerstandselemente durch eine Differenz der Spannungen über den Widerstandselementen erzeugt werden. Die Amplituden der Ströme hängen somit voneinander ab, sodass deren genaue und individuelle Einstellung nicht möglich ist. Darüber hinaus müssen über den Widerstandselementen unterschiedliche Spannungen erzeugt werden, was mit einem hohen Aufwand verbunden ist. Es entstehen ferner hohe Verluste (leakage), weil die PCM-Elemente in dem hochohmigen Zustand einen Widerstandswert im Bereich von 1 MΩ erreichen. Läge man eine Spannung von etwa 1 V zwischen die Knoten D und E, so würde ein Kreuzstrom von etwa 1 μA fließen. Ein derartiger Verluststrom (Leakage-Strom) ist für die meisten Anwendungen nicht akzeptabel. Ein weiterer Nachteil an dem obigen Konzept ist, dass beim Auslesen der Speicherzellen eine Gefahr eines destruktiven Auslesens besteht. Ein Strom, der zum Auslesen der gespeicherten Information durch R1 und R2 fließt, könnte die gespeicherte Information bei einer ungenauen Einstellung löschen.
US 2004/0141363 A1 offenbart einen nichtflüchtigen Flip-Flop. Der Basisschaltkreis ist in 4e dargestellt. Es handelt sich dabei um eine konventionelle SRAM-Zelle, die um einen Pass-Transistor (9, 10) und um ein Widerstandselement (11, 12), das eine Metallisierung (Plate-line, PL) mit jedem der Inverter (5, 6) verbindet, erweitert wurde. Die Bit-Leitungen (BL1, BL2) sind mit den kreuzgekoppelten Invertern über Transistoren (7, 8) verbunden. Ein in 4f dargestelltes Zeitdiagramm zeigt ein Beispiel für eine Schreib-Operation, bei der beide Widerstandselemente zunächst durch eine geeignete Pulssequenz der Signale "CL" und "PL" zurückgesetzt werden. Danach wird mit einem kurzen Puls auf der gemeinsamen Steuersignalleitung (CL) eines der beiden Widerstandselemente in einen Zustand mit einem niedrigen Widerstand gesetzt. Es hängt von dem Zustand der Knoten 5 und 6 ab, welches der beiden Elemente in den niederohmigen Zustand überführt (gesetzt) wird. Wie in 4f dargestellt, können sich die Reset-Operation oder die Set-Operation entweder in einer Pulslänge oder in der angelegten Spannung unterscheiden.
In 4h ist ein Zeitdiagramm bei einer Lese-Operation dargestellt, wobei ein Puls auf die "CL"-Leitung gelegt wird, während ein Potential der "PL"-Leitung in Richtung der vollen Versorgungsspannung rampenförmig erhöht wird. In Abhängigkeit des Widerstands der PCM-Elemente werden die Knoten 5 und 6 mit unterschiedlicher Geschwindigkeit aufgeladen. Während des rampenförmigen Erhöhens des Potentials der "PL"-Leitung wird die Versorgungsspannung für die Inverter eingeschaltet, so dass die Inverter die Ausgangssignale gemäß den vorgeladenen Knoten 5 und 6 ausgeben.
Nachteilig an der obigen Zelle ist, dass das Auslesen fehleranfällig ist. Nachteilig ist ferner, dass ein destruktives Auslesen der PCM-Elemente, bei dem die gespeicherte Information während des Auslesens gelöscht wird, nur durch eine genaue Spannungsrampe auf der "PL"-Leitung verhindert werden kann. Das erhöht die Herstellungskosten, weil hierfür zwangsläufig Bauelemente mit geringeren Toleranzen vorzusehen sind. Darüber hinaus wird aufgrund der zur Vermeidung der Auslesefehler notwendig genauen Steuerung der Steuerungsaufwand erhöht, was eine Komplexitätserhöhung nach sich zieht. Ferner sind die n-MOS-Passtransistoren nicht in der Lage, den vollen Spannungshub zu übertragen, wodurch eine fehlerfreie Ausführung der Schreib-Operation bei den PCM-Elementen verhindert werden kann. Die Schreib-Operation ist darüber hinaus unflexibel, weil entweder nur die Pulslänge für die Set/Reset-Operation geändert (genauere Anforderungen an die PCM-Technologie) oder eine zweite Versorgungsspannung benötigt wird, was mit zusätzlichen Kosten verbunden ist.
Ein weiterer Nachteil an der bekannten Zelle ist, dass nach einem Abschalten der Versorgungsspannung die Sequenz des genau hochgerampten "PL"-Signals, synchronisiert auf eine scharfe Rampe der Gesamtversorgungsspannung, und ein Puls des "CL"-Signals einen hohen Aufwand erfordern, um ein robustes Wiederherstellen der richtigen Werte zu gewährleisten, und um ein destruktives Auslesen zu verhindern.
Aus dem Stand der Technik, z. B. aus US 2004/0141363 A1 , sind Schreibmechanismen bekannt, bei denen die Speicherung (d. h. das Beschreiben) eines hohen oder eines niedrigen Widerstandszustands in dem programmierbaren PCM-Element entweder durch eine Änderung einer Dauer einer Breite eines Programmierungs-Strompulses, wie in 4i dargestellt, oder durch ein Anlegen einer höheren Spannung erfolgt. Nachteilig dabei ist, dass bei einer ausschließlichen Änderung der Strompulsbreite Anforderungen an die PCM-Technologie gestellt werden, die gegenwärtig von den meisten PCM-Prozesstechnologien nicht erfüllt werden. Die Bereitstellung von verschiedenen Spannungspegeln ist auch nicht zweckmäßig. Bei vielen Anwendungen gibt es keine zweite, geeignete Spannungsversorgung auf dem Chip. Eine Erzeugung und Verteilung einer zweiten Spannung durch eine Ladungspumpe ist mit einem zusätzlichem Flächenverbrauch und somit mit zusätzlichen Kosten verbunden. Eine Ableitung einer Spannung mit einem niedrigen Spannungswert aus einer Spannung mit einem höheren Spannungswert verursacht ferner neben einem Steuerungsaufwand (Overhead) auch Probleme aufgrund eines reduzierten Signalhubs.
Die Druckschrift US 2005/0117397 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines nichtflüchtigen Speichers. In den 1 oder 12a der Druckschrift ist jeweils ein Speicherelement gezeigt, welches durch ein Widerstandselement in Form eines Phasen-Wechsel-Speicherelements gegeben ist. Mittels einer Stromerzeugungseinrichtung, die durch einen MOS-Transistor oder einen DTMOS-(Dynamic Threshold MOS, dynamischer Schwellen-MOS) Transistor gegeben sein kann, ist das Widerstandselement durch einen Strom einer ersten Amplitude in einen ersten Zustand mit einem Widerstandswert überführbar oder einen Strom einer zweiten Amplitude in einen zweiten Zustand mit einem zweiten Widerstandswert überführbar.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein effizientes Konzept zum Beschreiben und zum Auslesen von Speicherelementen mit Widerstandselementen, die in verschiedenen Zuständen verschiedene Widerstandswerte aufweisen, zu schaffen, wobei eine einzige Versorgungsspannung sowohl zum Beschreiben als auch zum Auslesen benötigt wird.
Diese Aufgabe wird durch ein Speicherelement gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Speicherelement ist so ausgebildet, dass beim Beschreiben des Speicherelements, d. h. beim Überführen der Widerstandselemente in die für die Widerstandswerte charakteristischen Zustände, keine zweite Versorgungsspannung verwendet wird, da die Widerstandselemente in die jeweiligen Zustände bei derselben Spannung ausschließlich durch Ströme überführt werden, wobei die Stromerzeugungseinrichtung einen ersten Transistor zum Erzeugen des Stroms mit der ersten Amplitude und einen zweiten Transistor zum Erzeugen des Stroms mit der zweiten Amplitude aufweist.
Handelt es sich bei den Widerstandselementen beispielsweise um die bereits erwähnten PCM-Elemente, so kann erfindungsgemäß der Übergang von einem kristallinen Zustand, der durch einen niedrigen Widerstandswert gekennzeichnet ist, in einen amorphen Zustand, der durch einen hohen Widerstandswert gekennzeichnet ist, dadurch realisiert werden, dass durch das Widerstandselement ein Strom mit einer Amplitude erzeugt wird, die ausreichend ist, um genügend Wärme zu erzeugen, sodass der Zustandsübergang stattfindet. Sollte hingegen von dem amorphen Zustand in den kristallinen Zustand gewechselt werden, so wird durch das sich im amorphen Zustand befindende Widerstandselement ein Strom mit einer beispielsweise niedrigeren Amplitude erzeugt, sodass genügend Wärme erzeugt wird, um das Widerstandselement von dem amorphen in den kristallinen, beispielsweise in den polykristallinen, Zustand zu überführen.
Um einen Strom mit einer hohen Amplitude zu ermöglichen, muß über einem PCM-Element oft eine Aktivierungsspannung erzeugt. werden, die im Bereich von 1 V (z. B. 0.8 V–0.9 V oder 0.9 V–1 V) liegen kann. Wird die Aktivierungsspannung überschritten, dann gilt die lineare Strom-Spannungsbeziehung gemäß dem Ohmschen Gesetz nicht. Daher kann ein Strom mit einer großen Amplitude durch eine relativ geringe Spannungsänderung erzeugt werden. Eine Darstellung der Strom-Spannungs-Abhängigkeit bei PCM-Elementen findet sich in A. Pirovano, A. L. Lacaita: Low-Field Amorphous State Resistance and Threshold Voltage Drift in Chalcogenide Materials, IEEE Transactions an Electronic Devices, Vol. 51, No. 5, Mai 2004, und in A. Redelli et al.: Electronic Switching Effect and Phase-Change Transition in Chalcogenide Materials, IEEE Electronic Device Letters, Vol. 25, No. 10, Oktober 2004.
Um die mit Hilfe des Stroms zusätzlich zu erzeugende Leistung zu minimieren oder um beispielsweise die Schaltzeiten zu verkürzen, kann es vorteilhaft sein, dass über dem Widerstandselement eine höhere Spannung, beispielsweise 1.2 V oder 1.5 V, erzeugt wird. Somit kann das Widerstandselement beispielsweise schneller in den jeweiligen Zustand überführt werden. Eine höhere Spannung kann jedoch dazu führen, dass der Zustand des Widerstandselements beim Auslesen der Speicherzelle geändert wird, was mit einer Löschung der gespeicherten Information gleichzusetzen ist (destruktives Auslesen). Dies kann insbesondere dann problematisch sein, wenn das Speicherelement zusätzlich zu dem Widerstandselement ein weiteres Widerstandselement aufweist, wobei ein Verhältnis der Widerstandswerte des Widerstandselements und des weiteren Widerstandselements den Speicherzustand darstellt. In diesem Fall kann beim Auslesen der Speicherzelle der Fall auftreten, dass über dem Widerstandselement mit dem höheren Widerstandswert eine höhere Spannung abfällt, die zu einer Umprogrammierung des Widerstandselementes führen kann, bei der das Widerstandselement in einen anderen Zustand überführt wird. Um das destruktive Auslesen zu verhindern, wird gemäß einem Aspekt der Erfindung beim Auslesen des Speicherelements eine Potentialdifferenz über demjenigen Widerstandselement reduziert, das einen größeren Widerstandswert aufweist. Somit kann trotz der höheren Spannung, die im Falle einer Beschreibung der Elemente vorteilhaft sein kann, dennoch verhindert werden, dass eine Umprogrammierung der Widerstandselemente beim Auslesen des Speicherelementes auftritt.
Ein Vorteil der folgenden Erfindung liegt darin, dass eine einzige Versorgungsspannung ausreichend ist, um die Widerstandselemente in beide Zustände zu überführen. Die erfindungsgemäßen Schaltkreise arbeiten daher bevorzugt mit einer einzigen Versorgungsspannung. Aufgrund der Stromsteuerung ist eine höhere Spannung, z. B. eine weitere Versorgungsspannung, um z. B. einen Reset durchzuführen, jedoch nicht notwendig.
Ein weiterer Vorteil ist in der Flexibilität der Steuerung zu sehen. Zum Erzeugen der Ströme wird eine Stromerzeugungseinrichtung mit zwei Transistoren eingesetzt.
Da somit jedem Widerstandselement ein Transistor zugeordnet ist, kann das Setzen und das Zurücksetzen (Set/Reset) der Widerstandselemente in die jeweiligen Zustände separat gesteuert werden.
Das erfindungsgemäße Konzept zeichnet sich ferner durch eine hohe Flexibilität aus, weil eine Stromamplitude und eine Pulsbreite in Abhängigkeit von der durchzuführenden Set- und Reset-Operation eingestellt werden können, wodurch auch eine Verwendung einer einfachen PCM-Prozesstechnologie ermöglicht wird.
Ein weiterer Vorteil ist, dass die Pulsbreiten symmetrisch sein können. Eine Änderung der Stromamplitude ermöglicht eine Verwendung von Schreibpulsen mit gleichen Pulslängen für das Setzen und für das Zurücksetzen der Widerstandselemente. Bei einer Anpassung der PCM-Prozesstechnologie an das erfindungsgemäße Konzept könnten beispielsweise die Pulsbreiten oder auch die Pulsamplituden reduziert werden, wodurch beispielsweise eine Leistungsreduktion erzielt werden könnte.
Das erfindungsgemäße Konzept ist nicht auf PCM-Elemente beschränkt, sondern kann überall dort eingesetzt werden, wo eine Informationsspeicherung mit Hilfe von Widerstandselementen, die mindestens zwei Zustände reversibel annehmen können (z. B. magnetoresistive Elemente), durchgeführt werden kann.
Weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 ein prinzipielles Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Speicherelements gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 Programmierströme für PCM-Elemente;
3a–3d Speicherelemente gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung;
4a–4i Speicherelemente und Diagramme gemäß dem Stand der Technik.
Das in 1 dargestellte Speicherelement umfasst ein Widerstandselement 101 mit einem ersten Anschluss 103 und einem zweiten Anschluss 105. Das Speicherelement umfasst ferner eine Stromerzeugungseinrichtung 107, deren Ausgang mit dem ersten Anschluss 103 des Widerstandselements 101 gekoppelt, beispielsweise elektrisch verbunden, ist.
Die Stromerzeugungseinrichtung 107 kann ferner einen Anschluss 109 umfassen, an den ein Bezugspotential, beispielsweise ein Massepotential, anlegbar ist.
Das Widerstandselement 101 weist in einem ersten Zustand einen ersten Widerstandswert und in einem zweiten Zustand einen zweiten Widerstandswert auf, wobei sich beide Widerstandswerte voneinander unterscheiden. Darüber hinaus sind die Zustände reversibel, sodass das Widerstandselement 101 sowohl von dem ersten in den zweiten als auch von dem zweiten in den ersten Zustand überführbar ist. Bei dem Widerstandselement 101 kann es sich beispielsweise um ein PCM-Element handeln, bei dem der erste Zustand beispielsweise ein amorpher Zustand und bei dem der zweite Zustand ein kristalliner Zustand, beispielsweise ein polykristalliner Zustand ist, was im Folgenden angenommen wird. Die folgenden Darstellungen gelten jedoch auch für den Fall, dass der erste Zustand ein kristalliner und der zweite Zustand ein amorpher ist, und auch für den Fall, dass das Widerstandselement 101 kein PCM-Element ist.
Die Stromerzeugungseinrichtung 107 weist zwei Transistoren auf und ist ausgebildet, um beim Anliegen eines vorbestimmten Potentials, beispielsweise des Versorgungspotentials, an dem zweiten Anschluss 105 des Widerstandselements 101 mittels des ersten Transistors einen Strom mit einer ersten Amplitude durch das Widerstandselement 101 zu erzeugen, um das Widerstandselement zum Einstellen des ersten Widerstandswertes in den ersten Zustand zu überführen, und/oder um beim Anliegen des vorbestimmten Potentials an dem zweiten Anschluss 105 des Widerstandselements 101 mittels des zweiten Transistors einen Strom mit einer zweiten Amplitude, die sich von der ersten Amplitude unterscheidet, durch das Widerstandselement 101 zu erzeugen, um das Widerstandselement zum Einstellen des zweiten Widerstandswerts in den zweiten Zustand zu überführen.
Handelt es sich bei dem ersten Zustand des Widerstandselements 101 um einen amorphen Zustand, so beträgt der Widerstandswert etwa 1 MΩ. Handelt es sich bei dem zweiten Zustand um einen kristallinen Zustand, so beträgt der zweite Widerstandswert beispielsweise etwa 10 kΩ. Die erste Amplitude kann beispielsweise 200 μA, die zweite Amplitude kann beispielsweise 50 μA betragen.
Um das Widerstandselement 101 zu beschreiben, kann das in 1 dargestellte Speicherelement ausgebildet sein, um das vorbestimmte Potential, beispielsweise das Versorgungspotential (Versorgungsspannung) von 1.2 V–1.5 V oder 3 V, an den zweiten Anschluss 105 des Widerstandselements 101 zu legen. Um die bereits erwähnte Aktivierungsspannung (beispielsweise 0.8 V, 0.9 V oder 1 V) über dem Widerstandselement zu erzeugen, kann das Speicherelement ferner ausgebildet sein, um an den Anschluss 109 der Stromerzeugungseinrichtung 107 ein Bezugspotential, beispielsweise ein Massepotential, zu legen, sodass sich zwischen den Anschlüssen 103 und 105 des Widerstandselements 101 eine Potentialdifferenz, die beispielsweise die Aktivierungsspannung übersteigt, ausbildet. Das vorbestimmte Potential kann jedoch auch ein Bezugspotential sein, das beispielsweise ein Massepotential repräsentiert und das sich von dem Versorgungspotential unterscheidet.
Das in 1 dargestellte Speicherelement kann, wie bereits erwähnt, ausgebildet sein, um das vorbestimmte Potential an den Anschluss 105 des Widerstandselements 101 und um das Bezugspotential an den Anschluss 109 der Stromerzeugungsein richtung 107 zu legen. Hierzu kann das Speicherelement beispielsweise einen Spannungs-Controller aufweisen, der ausge bildet ist, um die Potentiale an die Anschlüsse 105 und 109, beispielsweise beim Beschreiben des Widerstandselements 101, zu legen. Gemäß einem weiteren Aspekt können die Anschlüsse 105 und 109 jedoch mit Spannungsversorgungsanschlüssen verbunden sein.
Erfindungsgemäß kann die Stromerzeugungseinrichtung 107 ausgebildet sein, um den Strom mit der ersten Amplitude für eine erste Zeitdauer zu erzeugen, und um den Strom mit der zweiten Amplitude für eine zweite Zeitdauer zu erzeugen, sodass Strompulse entstehen, die gleiche Pulsbreiten und unterschiedliche Pulsamplituden aufweisen.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist es jedoch möglich, dass beide Pulse neben unterschiedlichen Amplituden auch unterschiedliche Pulsbreiten aufweisen, sodass die Pulsbreite als ein zusätzlicher Steuerungsfreiheitsgrad ausgenutzt werden kann.
2 zeigt ein Beispiel von (idealisierten) Programmierströmen zum Programmieren von PCM-Elementen. Der Puls mit der Amplitude 200 μA kann eingesetzt werden, um das Widerstandselement in den amorphen Zustand zurückzusetzen, wobei die Pulsbreite 20 ns beträgt (Reset, amorph). In 2 ist ferner ein weiterer Strompuls mit der Amplitude 50 μA dargestellt, der zum Überführen des Widerstandselements in den polykristallinen Zustand erzeugt wird, wobei die Pulsdauer beispielsweise 50 ns betragen kann (Set, poly-X). Wie oben er wähnt, können die beiden Pulse jedoch gleiche Pulsbreiten zwischen 20–50 ns aufweisen.
Gemäß einem weiteren Aspekt können die erste und die zweite Amplitude gleich sein. In diesem Fall werden Ströme gleicher Amplituden und unterschiedlicher Zeitdauer erzeugt, um das Widerstandselement in den ersten oder in den zweiten Zustand zu überführen.
Die erfindungsgemäßen Schaltkreise beziehen sich generell auf Speicherzellen, die Widerstandselemente R verwenden, welche programmiert werden können, um idealerweise entweder leitend (R = 0 Ω) oder nicht-leitend (R = ∞) zu sein. Die Widerstandselemente können beispielsweise durch einen Strom für eine vorbestimmte Zeitdauer programmiert werden, wie beispielsweise in 2 dargestellt. Der programmierte Widerstandswert wird auch bei Abwesenheit einer Versorgungsspannung beibehalten. Somit liefert die erfindungsgemäße Implementierung nichtflüchtige Speicherelemente bzw. nichtflüchtige Speicherzellen. Ein Widerstandselement wird mit Hilfe eines Stroms programmiert, sodass eine zweite Versorgungsspannung nicht notwendig ist. Da die Widerstandselemente in den oberen Lagen, beispielsweise auf einem Metallstapel (metal stack) eines CMOS-Prozesses, auf einem oberen Ende eines Transistors implementiert werden können, ist die erfindungsgemäße Lösung flächeneffizient.
Gemäß einem weiteren Aspekt liefert die folgende Erfindung Basisschaltkreise, die ausgebildet sind, um die erfindungsgemäßen Set- und Reset-Operationen durchzuführen. Die erfindungsgemäßen Lösungen erlauben eine Variierung einer Amplitude eines Programmierstroms während der Set- und Reset-Operation. Der Programmierstrom ist der Strom, der zum Überführen des Widerstandselements in den ersten oder in den zweiten Zustand durch das Widerstandselement erzeugt wird. Gemäß einem Aspekt der Erfindung können die Amplituden der Programmierströme im Bereich der typischen I_on-Ströme (Einschaltströme) der Transistoren in gegenwärtigen CMOS-Prozesstechnologien liegen. Ein Transistor kann daher verwendet werden, um einen Maximalstrom durch das Widerstandselement zu begrenzen, um z. B. eine Beschädigung desselben oder um ein destruktives Auslesen zu vermeiden.
3a zeigt ein Speicherelement mit einem Widerstandselement R1, das einen ersten Anschluss 301 und einen zweiten Anschluss 303 aufweist. Das Speicherelement umfasst ferner eine Stromerzeugungseinrichtung, die mit dem ersten Anschluss des Widerstandselements R1 gekoppelt ist. Die Stromerzeugungseinrichtung umfasst einen ersten Transistor N1b zum Erzeugen des Stroms mit der ersten Amplitude und einen zweiten Transistor N1a zum Erzeugen des Stroms mit der zweiten Amplitude. Ein erster Anschluss des Transistors N1a ist mit einem ersten Anschluss des Transistors N1b verbunden. Ein zweiter Anschluss des Transistors N1a ist mit einem zweiten Anschluss des Transistors N1b verbunden. Die zweiten Anschlüsse der Transistoren N1a und N1b sind mit dem ersten Anschluss 301 des Widerstandselements R1 verbunden. Wie in 3a dargestellt, sind die ersten Anschlüsse der Transistoren N1a und N1b mit einem Massepotential, welches das Bezugspotential darstellt, verbunden. Der zweite Anschluss 303 des Widerstandselements R1 ist hingegen mit dem vorbestimmten Potential, das ein Versorgungspotential ist (z. B. 1.2 V oder 1.5 V), verbunden.
Die Transistoren N1a und N1b können beispielsweise N-Kanal-Feldeffekttransistoren sein. Um die Ströme mit der unterschiedlich hohen Amplitude zu erzeugen, kann eine Gate-Breite W_Na des Transistors N1a geringer als eine Gate-Breite W_N1b des Transistors N1b sein. Gemäß einem weiteren Aspekt können die Transistoren N1a und N1b derart beschaffen sein, dass eine Schwellenspannung V_{Th_N1b} des Transistors N1b geringer als eine Schwellenspannung V_{Th_N1a} des Transistors N1a ist.
Die Transistoren N1a und N1b weisen Steueranschlüsse (Steuereingänge) auf, an die Steuersignale (Set und Reset) anlegbar sind. Beim Anlegen des Reset-Steuersignals an den Steueranschluß des Transistors N1b wird beispielsweise der Strom mit der ersten Amplitude erzeugt, um das Widerstandselement R1 in den ersten Zustand, bei dem es sich beispielsweise um einen amorphen Zustand im Falle von PCM-Elementen handeln kann, zu überführen. Beim Anlegen eines Set-Steuersignals an dem Steueranschluß des Transistors N1a wird hingegen ein Strom mit der zweiten Amplitude erzeugt, um das Widerstandselement R1 in den zweiten Zustand, bei dem es sich um einen kristallinen Zustand handeln kann, zu überführen. Bei dem Set-Steuersignal und bei dem Reset-Steuersignal kann es sich um komplementäre Signale handeln, sodass zu einem Zeitpunkt nur einer der Transistoren N1a und N1b aktiv ist.
3b zeigt ein Speicherelement gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Speicherelement umfasst ein Widerstandselement R2 mit einem ersten Anschluss 305 und einem zweiten Anschluss 307, und eine Stromerzeugungseinrichtung, die einen ersten Transistor P2b und einen zweiten Transistor P2a umfasst. Die Transistoren sind, wie in 3a dargestellt, miteinander verbunden. Insbesondere sind die ersten Anschlüsse der Transistoren P2b und P2a mit dem ersten Anschluss 305 des Widerstandselements R2 verbunden.
Im Unterschied zu dem in 3a dargestellten Ausführungsbeispiel ist der zweite Anschluss 307 des Widerstandelements R2 mit dem Massepotential, das ein Bezugspotential darstellt, verbunden. Darüber hinaus sind die zweiten Anschlüsse der Transistoren P2b und P2a mit dem durch einen Pfeil gekennzeichneten Versorgungspotential, das das vorbestimmte Potential darstellt, verbunden.
Der Transistor P2b ist ausgebildet, um den Strom mit der ersten Amplitude zu erzeugen, um das Widerstandselement R2 in den ersten Zustand, bei dem es sich um den amorphen Zustand handeln kann, zu überführen. Der zweite Transistor P2a ist hingegen ausgebildet, um den Strom mit der zweiten Amplitude zu erzeugen, um das Widerstandselement R2 in den zweiten Zustand, beispielsweise in den kristallinen Zustand, zu überführen. Die Steuerung der Transistoren entspricht der im Zusammenhang mit dem in 3a dargestellten Ausführungsbeispiel beschriebenen Steuerung. Eine Gate-Breite W_P2b des Transistors P2b ist z. B. größer als eine Gate-Breite W_P2a des Transistors P2a. Gemäß einem weiteren Aspekt kann ein Betrag |V_{Th_p2a}| der Schwellenspannung des Transistors P2a größer als ein Betrag |V_{Th_p2b}| der Schwellenspannung des Transistors P2b sein.
Die unterschiedliche Anordnung der in 3a und 3b dargestellten Stromerzeugungseinrichtungn ist darin begründet, dass die Stromerzeugungseinrichtung aus 3a aus N-Kanal-Feldeffekttransistoren und die Stromerzeugungseinrichtung aus 3b aus P-Kanal-Feldeffekttransistoren aufgebaut ist. Bei einer Aktivierung eines der Transistoren N1a oder N1b aus 3a wird das Massepotential weitgehend unverfälscht an den ersten Anschluss 301 des Widerstandselements R1 übertragen, sodass sich über dem Widerstandselement R1 die gewünschte Potentialdifferenz zwischen dem Versorgungspotential und dem Bezugspotential einstellt. Bei einer Aktivierung eines der Transistoren P2b oder P2a aus 3b wird hingegen das Versorgungspotential an den Anschluss 305 des Widerstandelements R2 weitgehend unverfälscht übertragen, sodass sich über dem Widerstandselements R2 die gewünschte Potentialdifferenz zwischen dem Versorgungspotential und dem Massepotential einstellt.
Erfindungsgemäß kann es sich bei den Set-Signalen aus 3a und 3b sowie bei den Reset-Signalen um jeweils komplementäre Signale handeln. Daher können z. B. die Transistoren N1a und P2b unter Verwendung eines Signals sowie deren komplementären Version gleichzeitig aktiviert werden.
Die erfindungsgemäße Stromerzeugungseinrichtung ist generell ausgebildet, um beim Anliegen einer vorbestimmten Spannung (Potentialdifferenz) über dem Widerstandselement einen Strom mit der ersten Amplitude durch das Widerstandselement zu erzeugen, um das Widerstandselement zum Einstellen des ersten Widerstandswertes in den ersten Zustand zu überführen und/oder um beim Anliegen der vorbestimmten Spannung über dem Widerstandselement einen Strom mit der zweiten Amplitude durch das Widerstandselement zu erzeugen, um das Widerstandselement zum Einstellen des zweiten Widerstandswertes in den zweiten Zustand zu überführen. Die vorbestimmte Spannung wird durch eine Differenz der an den Anschlüssen des Widerstandselements anlegbaren Potentiale, beispielsweise Versorgungspotential und Bezugspotential, das ein Massepotential sein kann, bestimmt. Somit wird lediglich eine Spannungsquelle benötigt, um das Widerstandselement in den ersten und/oder in den zweiten Zustand zu überführen. Bei der vorbestimmten Spannung kann es sich um eine Spannung handeln, die die bereits erwähnte Aktivierungsspannung von 1–3 V übersteigt.
3c zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Speicherelementes. Im Unterschied zu dem in 3a dargestellten Ausführungsbeispiel sind die zweiten Anschlüsse der Transistoren N1a und N1b getrennt ausgeführt und nicht miteinander verbunden. Dadurch wird ermöglicht, dass die Bezugspotentiale an die zweiten Anschlüsse der Transistoren N1a und N1b unabhängig voneinander anlegbar sind. So kann die Pulsbreite der erzeugten Ströme durch ein Anlegen der Bezugsspannung an die zweiten Anschlüsse der Transistoren gesteuert werden.
3d zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Speicherelements. Der Unterschied zu dem in 3b dargestellten Ausführungsbeispiel ist, dass die zweiten Anschlüsse der Transistoren P2a und P2b voneinander getrennt sind, sodass an diese, unabhängig voneinander, beispielsweise ein Versorgungspotential anlegbar ist.
Die in 3a bis 3d dargestellten Schaltkreise erzeugen zwei verschiedene Programmierströme unter Verwendung von zwei Transistoren. Einer der Transistoren ist ausgebildet, um einen relativ hohen I_on für die Reset-Operation (z. B. Überführung in den ersten Zustand) zu erzeugen. Der andere Transistor ist ausgebildet, um einen relativ niedrigen I_on für die Set-Operation (z. B. Überführung in den zweiten Zustand) zu erzeugen. Der Strom I_on kann durch eine Wahl eines unterschiedlichen Breiten-/Längenverhältnisses der Gate-Bereiche der Transistoren oder der unterschiedlichen Schwellenspannung der Transistoren variiert werden.

Claims

Speicherelement mit: einem Widerstandselement (101, R1, R2) mit einem ersten Widerstandswert in einem ersten Zustand und einem zweiten Widerstandswert in einem zweiten Zustand, wobei das Widerstandselement (101, R1, R2) von dem ersten Zustand in den zweiten Zustand und von dem zweiten Zustand in den ersten Zustand überführbar ist, und wobei der erste Widerstandswert und der zweite Widerstandswert unterschiedlich sind; einer Stromerzeugungseinrichtung (107), die mit einem ersten Anschluss (103) des Widerstandselements (101, R1, R2) gekoppelt ist, wobei die Stromerzeugungseinrichtung ausgebildet ist, um beim Anliegen eines vorbestimmten Potentials an einem zweiten Anschluss (105) des Widerstandselements einen Strom mit einer ersten Amplitude durch das Widerstandselement (101, R1, R2) zu erzeugen, um das Widerstandselement (101, R1, R2) zum Einstellen des ersten Widerstandswertes in den ersten Zustand zu überführen, oder um beim Anliegen des vorbestimmten Potentials an dem zweiten Anschluss (105) des Widerstandselements (101, R1, R2) einen Strom mit einer zweiten Amplitude durch das Widerstandselement (101, R1, R2) zu erzeugen, um das Widerstandselement (101, R1, R2) zum Einstellen des zweiten Widerstandswertes in den zweiten Zustand zu überführen, wobei der erste Widerstandswert einen ersten Speicherzustand darstellt und wobei der zweite Widerstandswert einen zweiten Speicherzustand darstellt, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromerzeugungseinrichtung (107) einen ersten Transistor (N1b, P2b) zum Erzeugen des Stroms mit der ersten Amplitude und einen zweiten Transistor (N1a, P2a) zum Erzeugen des Stroms mit der zweiten Amplitude aufweist.
Speicherelement gemäß Anspruch 1, das ausgebildet ist, um das vorbestimmte Potential an den zweiten Anschluss (105) des Widerstandselements (101, R1, R2) zu legen.
Speicherelement gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das vorbestimmte Potential ein Versorgungspotential oder ein Bezugspotential ist.
Speicherelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Widerstandselement (101, R1, R2) ein Phasenwechsel-Speicherelement ist.
Speicherelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem ein erster Anschluss des ersten Transistors (N1b, P2b) mit einem ersten Anschluss des zweiten Transistors (N1a, P2a) gekoppelt ist, bei dem die ersten Anschlüsse mit dem Widerstandselement (R1, R2) gekoppelt sind, und bei dem an einen zweiten Anschluss des ersten Transistors (N1b, P2b) und an einen zweiten Anschluss des zweiten Transistors (N1a, P2a) ein Bezugspotential anlegbar ist.
Speicherelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der erste Transistor (N1b, P2b) und der zweite Transistor (N1a, P2a) Feldeffekttransistoren sind, wobei eine Gate-Breite des ersten Transistors (N1b, P2b) geringer als eine Gate-Breite des zweiten Transistors (N1a, P2a) ist, oder wobei eine Schwellenspannung des zweiten Transistors (N1a, P2a) geringer als eine Schwellenspannung des ersten Transistors (N1b, P2b) ist.
Speicherelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Stromerzeugungseinrichtung (107) ausgebildet ist, um den Strom mit der ersten Amplitude für eine erste Zeitdauer zu erzeugen, und um den Strom mit der zweiten Amplitude für eine zweite Zeitdauer zu erzeugen, wobei die zweite Zeitdauer geringer als die erste Zeitdauer ist, oder wobei die zweite Zeitdauer und die erste Zeitdauer gleich sind.
Speicherelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Stromerzeugungseinrichtung (107) ausgebildet ist, um ein erstes Steuersignal zu empfangen, und, ansprechend auf das erste Steuersignal, um den Strom mit der ersten Amplitude zu erzeugen, und um ein zweites Steuersignal zu empfangen, und, ansprechend auf das zweite Steuersignal, um den Strom mit der zweiten Amplitude zu erzeugen.
Speicherelement gemäß Anspruch 8, das ferner ein Steuerelement aufweist, das ausgebildet ist, um das erste Steuersignal und um das zweite Steuersignal zu erzeugen.
Speicherelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Stromerzeugungseinrichtung (107) ausgebildet ist, um durch das Widerstandselement (101, R1, R2) den Strom mit der zweiten Amplitude zu erzeugen, um das Widerstandselement von dem ersten Zustand in den zweiten Zustand zu überführen.
Speicherelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, das ferner ein weiteres Widerstandselement (R2) mit einem ersten Widerstandswert in dem ersten Zustand und einem zweiten Widerstandswert in dem zweiten Zustand aufweist, wobei die Stromerzeugungseinrichtung (107) mit einem ersten Anschluss (305) des weiteren Widerstandselements (R2) gekoppelt ist, wobei die Stromerzeugungseinrichtung (107) ausgebildet ist, um beim Anliegen des vorbestimmten Potentials an einem zweiten Anschluss (307) des weiteren Widerstandselements (R2) einen Strom mit der ersten Amplitude durch das weitere Widerstandselement (R2) zu erzeugen, um das weitere Widerstandselement (R2) in den ersten Zustand zu überführen, oder um beim Anliegen des vorbestimmten Potentials an dem zweiten Anschluss (307) einen Strom mit der zweiten Amplitude durch das weitere Widerstandselement (R2) zu erzeugen, um das weitere Widerstandselement (R2) in den zweiten Zustand zu überführen.