DE102006053434A1

DE102006053434A1 - Einstellbarer Widerstand und Verfahren zum Betreiben eines einstellbaren Widerstands

Info

Publication number: DE102006053434A1
Application number: DE102006053434A
Authority: DE
Inventors: Alexander Duch; Michael Dr. Kund
Original assignee: Qimonda AG; Altis Semiconductor SNC
Current assignee: Qimonda AG; Altis Semiconductor SNC
Priority date: 2006-09-29
Filing date: 2006-11-13
Publication date: 2008-04-03
Also published as: US20080080227A1; US7583527B2

Abstract

Ein einstellbarer Widerstand weist auf: einen Widerstandseingangsanschluss, einen Widerstandsausgangsanschluss sowie wenigstens einen Strompfad, der zwischen dem Widerstandseingangsanschluss und dem Widerstandsausgangsanschluss geschaltet ist, wobei wenigstens ein Strompfad durch wenigstens eine Speicherzelle einer Anordnung programmierbarer Speicherzellen verläuft. Der Widerstand weist weiterhin eine Widerstandseinstelleinrichtung auf, die die Strompfadwiderstände der Strompfade einstellt, indem die Speicherzustände entsprechender Speicherzellen programmiert werden, oder die die Strompfade aktiviert/deaktiviert, derart, dass der Gesamtwiderstand zwischen dem Widerstandseingangsanschluss und dem Widerstandsausgangsanschluss auf einen bestimmten Widerstandszielwert gesetzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen einstellbaren Widerstand und ein Verfahren zum Betreiben eines einstellbaren Widerstands.
Einstellbare Widerstände werden in zahlreichen elektrischen Schaltungsanordnungen eingesetzt. Ein prominentes Beispiel eines einstellbaren Widerstands ist das Potentiometer.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe ist, neue Typen einstellbarer Widerstände zu entwickeln, um die Effizienz der Schaltungsanordnungen, die die einstellbaren Widerstände enthalten, zu verbessern.
Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung einen einstellbaren Widerstand gemäß Patentanspruch 1 bereit. Weiterhin stellt die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines einstellbaren Widerstands gemäß Patentanspruch 11 bereit. Schließlich stellt die Erfindung ein Computerprogrammprodukt sowie einen Datenträger gemäß den Patentansprüchen 19 und 20 bereit. Vorteilhafte Ausgestaltungen bzw. Weiterbildungen des Erfindungsgedankens finden sich in den Unteransprüchen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist ein einstellbarer Widerstand auf: einen Widerstandseingangsanschluss, einen Widerstandsausgangsanschluss sowie wenigstens einen Strompfad, der zwischen den Widerstandseingangsanschluss und den Widerstandsausgangsanschluss geschaltet ist, wobei der wenigstens eine Strompfad wenigstens eine Speicherzelle einer Anordnung programmierbarer (z.B. mikroelektronischer oder nanoelektronischer) Speicherzellen durchläuft. Der einstellbare Widerstand weist ferner eine Widerstandseinstelleinrichtung auf, die die Strompfadwiderstände der Strompfade einstellt, indem die Speicherzustände entsprechend der Speicherzellen programmiert und/oder die die Strompfade so aktiviert/deaktiviert werden, dass der Gesamtwiderstand zwischen dem Widerstandseingangsanschluss und dem Widerstandsausgangsanschluss auf einem bestimmten Zielwert gesetzt wird.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung programmiert die Widerstandseinstelleinrichtung die Speicherzustände der Speicherzellen und aktiviert/deaktiviert Strompfade, um den Widerstand einzustellen.
Die Speicherzellen sind resistive Speicherzellen, die als Teile entsprechender Strompfade (durch die Speicherzellen fließen Ströme) mit einem einstellbaren Widerstand (der von dem "Speicherzustand" der Speicherzellen abhängt) eingesetzt werden.
Im Rahmen der Erfindung bedeutet der Ausdruck "Anordnung programmierbarer Speicherzellen" beispielsweise eine "Stand-Alone"-Speichervorrichtung, die normalerweise in Computern zum Speichern von Information eingesetzt wird (d.h. die Speichervorrichtung wird als einstellbarer Widerstand "zweckentfremdet"), kann jedoch auch verallgemeinert eine Anordnung programmierbarer Widerstandseinheiten bedeuten, wobei die Widerstandseinheiten in ihren physikalischen Ausmaßen, ihrer Architektur oder ihren elektrischen Eigenschaften im Wesentlichen den physikalischen Ausmaßen, der Architektur oder den elektrischen Eigenschaften gewöhnlicher "Stand-Alone"-Speichervorrichtungen entsprechen, obwohl die Anordnung programmierbarer Widerstandseinheiten nicht als "Stand-Alone"-Speichervorrichtung benutzt werden kann (beispielsweise können die Widerstände der Widerstandseinheiten untereinander stark abweichen, was in einer "Stand-Alone"-Speichervorrichtung, bei der Widerstände aller Speicherzellen im Wesentlichen die gleichen sein sollen, nicht erlaubt ist). Weiterhin kann der Ausdruck "Anordnung programmierbarer Speicherzellen" eine einzelne Speicherzelle oder eine Vielzahl (zwei oder mehr) an Speicherzellen bedeuten.
Im Rahmen der Erfindung bedeutet der Ausdruck "Aktivieren eines Strompfads", dass ein Zustand geschaffen wird, in dem Strom durch den Strompfad fließen kann; der Ausdruck "Deaktivieren eines Strompfads" bedeutet, dass ein Zustand geschaffen wird, in dem es nicht möglich ist, dass Strom durch den Strompfad fließt.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Speicherzellen nichtflüchtige Speicherzellen.
Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass selbst nach dem Abschalten der Speicherzellen-Anordnung (d.h. nach „Abschalten" des einstellbaren Widerstands) der Widerstand des einstellbaren Widerstands aufrecht erhalten wird. Damit ist es nicht notwendig, den Widerstand des einstellbaren Widerstands neu einzustellen, wenn die Speicherzellen-Anordnung zu einem späteren Zeitpunkt erneut eingeschaltet wird (d.h. wenn der einstellbare Widerstand „eingeschaltet" wird).
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist zumindest eine Speicherzelle einen Strompfadeingangsanschluss und einen Strompfadausgangsanschluss auf, wobei der Strompfadeingangsanschluss und der Strompfadausgangsanschluss durch die Widerstandseinstelleinrichtung dazu benutzt werden, eine Programmierspannung an die Speicherzelle anzulegen, um die Speicherzelle zu programmieren. Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass lediglich zwei Anschlüsse benötigt werden, um sowohl die Speicherzelle als Widerstand zu benutzen, als auch den Widerstand der Speicherzelle einzustellen. Das heißt, der Strompfadeingangsanschluss und der Strompfadausgangsanschluss einer Speicherzelle werden sowohl als Teile eines Strompfads als auch als Programmieranschlüsse zum Programmieren des Speicherzustands der Speicherzelle (zum Ändern des Widerstands der Speicherzelle) eingesetzt. Da jede Speicherzelle lediglich zwei Anschlüsse benötigt, d.h. kein Platz für zusätzliche Anschlüsse erforderlich ist, ist es möglich, die Ausmaße des einstellbaren Widerstands signifikant zu verringern.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Widerstand als Verkettung mehrerer Strompfade realisiert, die in Serie, parallel oder sowohl in Serie als auch parallel geschaltet sind.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist zumindest eine der programmierbaren Speicherzellen eine Festkörperelektrolyt-Speicherzelle, beispielsweise eine Festkörperelektrolyt-Speicherzelle mit wahlfreiem Zugriff (CBRAM = Conductive-Bridging-Random-Access-Memory-Zelle). In dieser Ausführungsform programmiert die Widerstandseinstelleinrichtung den Speicherzustand der CBRAM-Zellen, indem leitende Pfade innerhalb der CBRAM-Zellen ausgebildet oder gelöscht werden, womit der Widerstand der CBRAM-Zellen eingestellt wird.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist zumindest eine der programmierbaren Speicherzellen eine magnetorresistive Speicherzelle mit wahlfreiem Zugriff (MRAM-Zelle = Magnetor-Resistive-Random-Access-Memory-Zelle). In dieser Ausführungsform programmiert die Widerstandseinstelleinrichtung die Speicherzustände der MRAM-Zellen, indem die magnetische Orientierung der MRAM-Zellen geändert wird, womit der Widerstand der MRAM-Zellen eingestellt wird.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist zumindest eine der programmierbaren Speicherzellen eine Phasenänderungs-Speicherzelle, beispielsweise eine PCRAM-Zelle (Phase-Change-Random-Access-Memory-Zelle). In dieser Ausführungsform programmiert die Widerstandseinstelleinrichtung die Speicherzustände der PCRAM-Zellen, indem Phasenübergänge innerhalb der PCRAM-Zellen bewirkt werden, womit der Widerstand der PCRAM-Zellen eingestellt wird.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird eine RLC-Schaltung bereitgestellt, die aufweist: einen einstellbaren Widerstand mit einem Widerstandseingangsanschluss, einen Widerstandsausgangsanschluss und wenigstens einen Strompfad, der zwischen den Widerstandseingangsanschluss und den Widerstandsausgangsanschluss geschaltet ist, wobei der wenigstens eine Strompfad durch wenigstens eine Speicherzelle einer Anordnung programmierbarer (z.B. mikroelektronischer oder nanoelektronischer) Speicherzellen verläuft; einen Induktor; einen Kondensator, und eine Widerstandseinstelleinrichtung, die die Strompfadwiderstände der Strompfade einstellt, indem die Speicherzustände entsprechender Speicherzellen programmiert werden, oder Strompfade aktiviert/deaktiviert werden, derart, dass der Gesamtwiderstand zwischen dem Widerstandseingangsanschluss und dem Widerstandsausgangsanschluss auf einen bestimmten Widerstandszielwert gesetzt wird.
In dieser Ausführungsform kann die Impedanz des Induktors einstellbar sein. Des Weiteren kann die Kapazität des Kondensators einstellbar sein. Im Rahmen der Erfindung beinhaltet der Begriff "RLC-Schaltung" auch den Fall, dass der Widerstand, die Impedanz oder die Kapazität unabhängig voneinander auf den Wert Null eingestellt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines einstellbaren Widerstands bereitgestellt. Der einstellbare Widerstand beinhaltet einen Widerstandseingangsanschluss, einen Widerstandsaugangsanschluss und zumindest einen Strompfad, der zwischen dem Widerstandseingangsanschluss und dem Widerstandsausgangsanschluss geschaltet ist, wobei zumindest ein Strompfad durch wenigstens eine Speicherzelle einer Anordnung programmierbarer (z.B. mikroelektronischer oder nanoelektronischer) Speicherzellen verläuft. Das Verfahren beinhaltet die folgenden Prozesse: Festlegen eines Widerstandszielwerts; und Einstellen der Strompfadwiderstände der Strompfade, indem die Speicherzustände entsprechender Speicherzellen programmiert oder Strompfade aktiviert/deaktiviert werden, derart, dass der Gesamtwiderstand zwischen dem Widerstandseingangsanschluss und dem Widerstandsausgangsanschluss auf einen bestimmten Widerstandszielwert gesetzt wird.
Alle oben im Zusammenhang mit dem einstellbaren Widerstand diskutierten Ausführungsformen können analog auf das erfindungsgemäße Verfahren angewandt werden. Beispielsweise können die Speicherzellen CBRAM-Zellen, MRAM-Zellen, oder PCRAM-Zellen aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben einer RLC-Schaltung bereitgestellt. Die RLC-Schaltung weist einen einstellbaren Widerstand, einen Induktor und einen Kondensator auf, wobei zumindest ein Teil des Widerstands durch einen Strompfad realisiert ist, der zumindest eine programmierbare (z.B. mikroelektronischer oder nanoelektronischer) Speicherzelle aufweist. Das Verfahren beinhaltet die folgenden Prozesse: Festlegen eines Widerstandszielwerts; und Programmieren des Speicherzustands wenigstens einer Speicherzelle des Strompfads, derart, dass der resultierende Gesamtwiderstand des Strompfads auf den Widerstandszielwert gesetzt wird.
In dieser Ausführungsform kann die Impedanz des Induktors einstellbar sein. Des Weiteren kann der Kondensator einstellbar sein. Im Rahmen der Erfindung beinhaltet der Begriff "RLC-Schaltung" auch den Fall, dass der Widerstand, die Impedanz oder die Kapazität unabhängig voneinander jeweils auf den Wert Null gesetzt werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Computerprogramm bereitgestellt, das dazu ausgelegt ist, bei Ausführen auf einem Computer oder einem digitalen Signalprozessor ein Verfahren zum Betreiben eines einstellbaren Widerstands auszuführen, der einen Widerstandseingangsanschluss, einen Widerstandsausgangsanschluss und zumindest einen Strompfad, der zwischen dem Widerstandseingangsanschluss und den Widerstandsausgangsanschluss geschaltet ist, aufweist, wobei zumindest ein Strompfad durch zumindest eine Speicherzelle einer Anordnung programmierbarer (z.B. mikroelektronischer oder nanoelektronischer) Speicherzellen hindurch läuft. Das Verfahren beinhaltet die folgenden Prozesse: Festlegen eines Widerstandszielwerts; und Einstellen der Strompfadwiderstände der Strompfade, indem die Speicherzustände entsprechender Speicherzellen programmiert werden oder Strompfade aktiviert/deaktiviert werden, derart, dass der Gesamtwiderstand zwischen dem Widerstandseingangsanschluss und dem Widerstandsausgangsanschluss auf einen bestimmten Widerstandszielwert gesetzt wird.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Computerprogramm bereitgestellt, das dazu ausgelegt ist, bei Ausführen auf einem Computer oder einem digitalen Signalprozessor ein Verfahren zum Betreiben einer RLC-Schaltung auszuführen, die einen einstellbaren Widerstand, einen Induktor und einen Kondensator aufweist, wobei zumindest ein Teil des Widerstands als Strompfad realisiert ist, der zumindest eine programmierbare (z.B. mikroelektronische oder nanoelektronische) Speicherzelle aufweist. Das Verfahren beinhaltet die folgenden Prozesse: Festlegen eines Widerstandszielwerts; und Programmieren des Speicherzustands wenigstens einer Speicherzelle des Strompfads derart, dass der resultierende Gesamtwiderstand des Strompfads auf den Widerstandszielwert gesetzt wird.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Datenträger bereitgestellt, der die oben beschrieben Computerprogramme speichert.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren in beispielsweiser Ausführungsform näher erläutert. Es zeigen:
1 ein erstes Beispiel einer RLC-Schaltung;
2 ein zweites Beispiel einer RLC-Schaltung;
3 ein Beispiel eines einstellbaren Widerstands, der in den in 1 und 2 gezeigten RLC-Schaltungen einsetzbar ist;
4 eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen einstellbaren Widerstands;
5 eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen einstellbaren Widerstands;
6 eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen einstellbaren Widerstands;
7 zeigt eine schematische, perspektivische Darstellung eines Beispiels einer programmierbaren Speicherzelle, die Teil eines erfindungsgemäßen einstellbaren Widerstands ist;
8 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Beispiels einer programmierbaren Speicherzelle, die Teil eines erfindungsgemäßen einstellbaren Widerstands ist;
9a eine schematische Querschnittsdarstellung eines Beispiels einer programmierbaren Speicherzelle, die Teil eines erfindungsgemäßen einstellbaren Widerstands ist, wobei sich die programmierbare Speicherzelle in einem ersten Speicherzustand befindet;
9b eine schematische Querschnittsdarstellung der in 9a gezeigten Speicherzelle in einem zweiten Speicherzustand;
10 ein Flussdiagramm einer Ausführungsform des erindungsgemäßen Verfahrens;
11 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen RLC-Schaltung.
Schaltungsanordnungen, die einstellbare Widerstände enthalten, sind bekannt. Ein Beispiel einer derartigen Schaltungsanordnung ist eine RLC-Schaltung (auch bekannt als "resonante Schaltung" oder "abgestimmte/einstellbare Schaltung"). Eine RLC-Schaltung ist eine elektrische Schaltung, die einen Widerstand (R), einen Induktor (L) sowie einen Kondensator (C) aufweist, die in Serie oder parallel geschaltet sind. 1 und 2 zeigen Beispiele von RLC-Schaltungen. In 1 weist eine RLC-Schaltung 1 einen Widerstand 2, einen Induktor 3, einen Kondensator 4 sowie eine Spannungsquelle 5, die in Serie geschaltet sind, auf. 2 zeigt eine RLC-Schaltung 1' mit einem Widerstand 2, einem Induktor 3, einem Kondensator 4, sowie einer Spannungsquelle 5, die parallel geschaltet sind.
Die elektrischen Eigenschaften der RLC-Schaltungen 1, 1, die in 1 und 2 gezeigt sind, können durch Ändern des Widerstands 2, der Impedanz des Induktors 3 sowie der Kapazität des Kondensators 4 sowie durch Hinzufügen einzelner Widerstände, Induktoren oder Kondensatoren oder Gruppen dieser Elemente zu den RLC-Schaltungen (parallel oder in Serie) geändert werden. Beispielsweise kann, wie in 3 gezeigt ist, der in 1 und 2 gezeigte Widerstand 2 mehrere Widerstände R1, R2 und R3 aufweisen, die in Serie geschaltet sind. Der Widerstand der Widerstände 2 kann durch die Transistoren T1, T2, T3 und T4 abgestimmt werden (die Transistoren aktivieren bzw. deaktivieren die Widerstände R1, R2 und R3 selektiv). Ein Nachteil des in 3 gezeigten einstellbaren Widerstands ist, dass der Platz, der für sowohl die Widerstände R1, R2 und R3 als auch die Transistoren T1, T2 und T3 benötigt wird, relativ groß ausfallen kann.
Der linke Teil der 4 zeigt eine Draufsicht auf eine Ausführungsform 6 des einstellbaren Widerstands gemäß der Erfindung, mit einem Widerstandseingangsanschluss 8, einem Widerstandsausgangsanschluss 9 sowie einem ersten Strompfad 10, der zwischen den Widerstandseingangsanschluss 8 und dem Widerstandsausgangsanschluss 9 geschaltet ist. Der erste Strompfad 10 verläuft durch eine erste programmierbare mikroelektronische Speicherzelle 11₁ einer Anordnung 12 programmierbarer mikroelektronischer Speicherzellen 11 (nicht alle Speicherzellen 11 sind gezeigt). In dieser Ausführungsform weist der erste Strompfad 10 einen Teil einer ersten Wortleitung 13, die erste Speicherzelle 11₁ sowie einen Teil einer ersten Bitleitung 14 auf. Die erste Speicherzelle 11₁ kann als elektrische Verbindung interpretiert werden, die die erste Wortleitung 13 mit der ersten Bitleitung 14 verbindet. Die programmierbaren mikroelektronischen Speicherzellen 11 sind resistive Speicherzellen. Um den Widerstand des ersten Strompfads 10 abzustimmen, wird der Speicherzustand der ersten programmierbaren Speicherzelle 11₁ zwischen unterschiedlichen Speicherzuständen (beispielsweise 2 oder 3 Speicherzuständen) hin- und hergeschaltet, wobei jeder Speicherzustand einen unterschiedlichen Widerstand der ersten Speicherzelle 11₁ bewirkt. Dies bedeutet, dass der Widerstand, den ein durch die erste Speicherzelle 11₁ fließender Strom I1 erfährt, abhängig ist von dem Speicherzustand der ersten Speicherzelle 11₁ . Unter der Annahme, dass die Spannung, die den Strom I1 durch die erste Speicherzelle 11₁ treibt, konstant ist, ändert sich die Stärke des Stroms I1 in Abhängigkeit des Speicherzustands der ersten Speicherzelle 11₁ : Wenn der Speicherzustand der ersten Speicherzelle 11₁ einen hohen Widerstand zur Folge hat, wird der Strom I1 eine geringe Stromstärke aufweisen, wohingegen die Stärke des Stroms I1 hoch ist, wenn der Speicherzustand der ersten Speicherzelle 11₁ einen niedrigen Widerstand der ersten Speicherzelle 11₁ zur Folge hat.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird der Speicherzustand der ersten Speicherzelle 11₁ programmiert, indem eine Spannung an den ersten Strompfad 10 angelegt wird, das heißt, indem eine Spannung zwischen dem Widerstandseingangsanschluss 8 und dem Widerstandsausgangsanschluss 9 angelegt wird. Dies bedeutet, dass keine zusätzlichen Programmierelemente wie beispielsweise Programmieranschlüsse bereitgestellt werden müssen; der Widerstandseingangsanschluss 8 und der Widerstandsausgangsanschluss 9 werden sowohl zum Programmieren der ersten Speicherzelle 11₁ als auch als Widerstandsanschlüsse verwendet.
Der rechte Teil der 4 zeigt die Äquivalenzschaltung der im linken Teil von 4 gezeigten Ausführungsform 6.
Der linke Teil der 5 zeigt eine weitere Ausführungsform 6' eines einstellbaren Widerstands gemäß der Erfindung. Verglichen zu dem in 4 gezeigten einstellbaren Widerstand 6 ist ein zusätzlicher zweiter Strompfad 14 zwischen den Widerstandseingangsanschluss 8 und den Widerstandsausgangsanschluss 9 geschaltet. Der zusätzliche Strompfad 15 verläuft durch eine zweite programmierbare Speicherzelle 11₂ . Damit fließt ein erster Strom I1 durch die erste Speicherzelle 11₁ , und ein zweiter Strom I2 fließt durch die zweite Speicherzelle 11₂ , wenn zwischen dem Widerstandseingangsanschluss 8 und dem Widerstandsausgangsanschluss 9 eine Spannung angelegt wird. Die Speicherzustände der ersten und zweiten Speicherzellen 11₁ , 11₂ können programmiert werden, indem unter Verwendung des Widerstandeingangsanschlusses 8 und des Widerstandausganganschlusses 6 an die ersten und zweiten Speicherzellen 11₁ , 11₂ eine Programmierspannung angelegt wird. Auf diese Art und Weise kann der Gesamtwiderstand zwischen dem Widerstandseingangsanschluss 8 und dem Widerstandsausgangsanschluss 9 eingestellt werden (die Widerstände sind parallel geschaltet).
Der rechte Teil der 5 zeigt die Äquivalenzschaltung der im linken Teil von 5 gezeigten Ausführungsform 6; Der linke Teil von 6 zeigt eine weitere Ausführungsform 6' eines erfindungsgemäßen einstellbaren Widerstands, der, verglichen zu der in 5 gezeigten Schaltungsanordnung 6', einen zusätzlichen dritten Strompfad 16 aufweist, der zwischen den Widerstandseingangsanschluss 8 und den Widerstandsausgangsanschluss 9 geschaltet ist. Die ersten bis dritten Strompfade 10, 15 und 16 sind parallel geschaltet, wie in der Äquivalenzschaltung im rechten Teil von 6 gezeigt ist. Der Widerstandeingangsanschluss 8 und der Widerstandsausgangsanschluss 9 können sowohl als Widerstandsanschlüsse als auch als Programmieranschlüsse der ersten bis dritten Speicherzellen 11₁ -11₃ eingesetzt werden, wie bereits im Zusammenhang mit den in 4 und 5 gezeigten Ausführungsformen erläutert wurde.
Der rechte Teil der 6 zeigt die Äquivalenzschaltung der im linken Teil von 6 gezeigten Ausführungsform 6''.
Die programmierbaren Speicherzellen 11 können beliebige resistive programmierbare Speicherzellen sein. Die Anordnung 12 programmierbarer mikroelektronischer Speicherzellen 11 kann lediglich eine Speicherzelle 11 oder eine beliebige andere Anzahl an Speicherzellen 11 aufweisen. Die Anordnung 12 programmierbarer mikroelektronischer Speicherzellen kann ein Speicherzellenarray wie in einer "normalen" Speichervorrichtung sein, die beispielsweise in Computern zum Speichern von Information eingesetzt wird, oder eine beliebige andere Architektur aufweisen.
In einer Ausführungsform der Erfindung sind die programmierbaren Speicherzellen 11 Phasenänderungsspeicherzellen mir wahlfreiem Zugriff (PCRAM-Zellen). 8 zeigt eine schematische Zeichnung, die die Architektur einer Ausführungsform einer PCRAM-Zelle zeigt.
Die in 8 gezeigte PCRAM-Zelle 17 weist eine Bottomelektrode 18, ein Heizelement 19, eine Schicht aktiven Materials (Phasenänderungsmaterial) 20 sowie eine Topelektrode 21 auf, die in dieser Reihenfolge übereinander gestapelt sind. Die Schicht des aktiven Materials ist beispielsweise aus polykristallinem Chalcogenid hergestellt. Wenn eine Programmierspannung zwischen der Topelektrode 21 und der Bottomelektrode 18 angelegt wird, wechselt ein Gebiet 22 innerhalb der Schicht des aktiven Materials 20 von einem kristallinen Zustand in einen amorphen Zustand. Durch Anlegen einer Löschspannung zwischen der Topelektrode 21 und der Bottomelektrode 18 kann der amorphe Zustand des Gebiets 22 zurück in den kristallinen Zustand versetzt werden. Ein Strom, der von der Topelektrode 21 durch die Schicht des aktiven Materials 20 und durch das Heizelement 19 zu der Bottomelektrode 18 fließt, wird durch den Widerstand des Gebiets 22 beeinflusst: der Widerstand, der durch den Strom erfahren wird, der zwischen der Topelektrode 21 und der Bottomelektrode 18 fließt, hängt von dem Phasenzustand des Materials innerhalb des Gebiets 22 ab. Ein hoher Widerstand des Gebiets 22 kann beispielsweise "0" repräsentieren, wohingegen ein niedriger Widerstand des Gebiets 22 "1" repräsentiert. Der Strom, der zwischen der Topelektrode 21 und der Bottomelektrode 18 fließt, ist der Strom (wenigstens ein Teil des Stroms), der durch den einstellbaren Widerstand gemäß der Erfindung fließt.
In einer Ausführungsform der Erfindung sind die programmierbaren Speicherzellen 11 magnetoresistive Speicherzellen mit wahlfreiem Zugriff (MRAM-Zellen). 7 zeigt eine schematische Zeichnung, die die Architektur einer Ausführungsform einer MRAM-Zelle verdeutlicht.
7 zeigt einen magnetischen Tunnelübergangs-(MTJ)Stapel (MRAM-Zelle 23), der dazu ausgelegt ist, ein Bit zu speichern.
Die Speicherzelle 23 weist wenigstens zwei ferromagnetische Schichten M1 und M2 auf, die durch eine Tunnelschicht TL voneinander getrennt sind. Die Speicherzelle 23 befindet sich am Kreuzungspunkt zweier Leitungen, die als Wortleitung WL und Bitleitung BL bezeichnet werden. Eine magnetische Schicht M1 wird als freie Schicht oder Speicherschicht bezeichnet, die andere magnetische Schicht M2 wird als fixierte Schicht beziehungsweise Referenzschicht bezeichnet. Zwei Publikationen, die MRAM-Zellen beschreiben, sind S. Tehrani, et al., "Recent Developments in Magnetic Tunnel Junction MRAM", IEEE Trans. an Magnetics, Vol. 36 Issued 5, September 2000, pp. 2752-2757, and J. De B. Ross, A. Bette at al., "A High Speed 128-kb MRAM Core for Future Universal Memory Applications, "IEEE Journal of Solid State Circuits, Vol. 39, Issue 4, April 2004, pp. 678-683. Die magnetische Orientierung der freien Schicht kann durch Überlagerung der magnetischen Felder geändert werden, die durch einen Programmierstrom IBL, der durch die Bitleitung BL fließt, und einem Programmierstrom IWL, der durch die Wortleitung WL fließt, verursacht wird. Ein Bit, beispielsweise eine "0" oder "1", kann in die Speicherzelle 23 gespeichert (oder "programmiert") werden, indem die Orientierung des Felds der freien magnetischen Schicht M1 relativ zu der der fixierten magnetischen Schicht M2 geändert wird. Wenn beide magnetische Schichten M1 und M2 die gleiche Orientierung aufweisen, hat die Speicherzelle 23 einen niedrigeren Widerstand RC. Der Widerstand RC ist höher, wenn die magnetischen Schichten M1, M2 unterschiedliche magnetische Orientierungen aufweisen. Der Strom, der zwischen der Bitleitung BL und der Wortleitung WL fließt, ist der Strom (wenigstens ein Teil des Stroms), der durch den erfindungsgemäßen einstellbaren Widerstand fließt.
9a und 9b zeigen unterschiedliche Speicherzustände einer Festkörperelektrolytzelle mit wahlfreiem Zugriff (CBRAM-Zelle) 24, die als programmierbare Speicherzelle 11 in einem einstellbaren Widerstand gemäß der Erfindung eingesetzt werden kann.
Eine CBRAM-Zelle weist eine erste Elektrode 31, eine zweite Elektrode 32 sowie einen Festkörperelektrolytblock (auch als Ionenleiterblock bekannt) 33, der zwischen der ersten Elektrode 31 und der zweiten Elektrode 32 angeordnet ist, auf. Die erste Elektrode 31 kontaktiert eine erste Oberfläche 34 des Festkörperelektrolytblocks 33, die zweite Elektrode 32 kontaktiert eine zweite Oberfläche 35 des Festkörperelektrolytblocks 33. Der Festkörperelektrolytblock 33 ist gegenüber seiner Umgebung durch eine Isolationsstruktur 36 isoliert. Die erste Oberfläche 34 ist üblicherweise die Oberseite, die zweite Oberfläche 35 die Unterseite des Festkörperelektrolytblocks 33. Die erste Elektrode 31 ist üblicherweise die obere Elektrode, die zweite Elektrode 32 die untere Elektrode der CBRAM-Zelle. Eine der ersten und zweiten Elektrode 31, 32 ist eine reaktive Elektrode, die jeweils andere eine inerte Elektrode. Beispielsweise ist die erste Elektrode 31 die reaktive Elektrode, und die zweite Elektrode 32 die inerte Elektrode. In diesem Fall kann die erste Elektrode 31 beispielsweise aus Silber (Ag), der Festkörperelektrolytblock 33 aus Chalkogenid-Material, und die Isolationsstruktur 36 aus SiO₂ oder Si₃N₄ bestehen.
Wenn eine Spannung über dem Festkörperelektrolytblock 33 abfällt, wie in 9a angedeutet ist, wird eine Redoxreaktion in Gang gesetzt, die Ag⁺-Ionen aus der ersten Elektrode 31 heraus löst und in den Festkörperelektrolytblock 33 hinein treibt, wo diese zu Silber reduziert werden. Auf diese Art und Weise werden silberhaltige Cluster in dem Festkörperelektrolytblock 33 ausgebildet. Wenn die Spannung über dem Festkörperelektrolytblock 33 lange genug abfällt, erhöht sich die Größe und die Anzahl der silberreichen Cluster innerhalb des Festkörperelektrolytblocks 33 so stark, dass eine leitende Brücke (leitender Pfad) 37 zwischen der ersten Elektrode 31 und der zweiten Elektrode 32 ausgebildet wird. Wenn die in 9b gezeigte Spannung über dem Festkörperelektrolytblock 33 abfällt (inverse Spannung verglichen zu der in 9a dargestellten Spannung), wird eine Redoxreaktion in Gang gesetzt, die Ag⁺-Ionen aus dem Festkörperelektrolytblock 33 hinaus zur ersten Elektrode 31 treibt, an der diese zu Silber reduziert werden. Damit wird die Größe und die Anzahl silberreicher Cluster innerhalb des Festkörperelektrolytblocks 33 verringert. Wird dies lange genug getan, wird die leitende Brücke 37 gelöscht.
Um den momentanen Speicherzustand der CBRAM-Zelle festzustellen, wird ein Messstrom durch die CBRAM-Zelle geleitet. Der Messstrom erfährt einen hohen Widerstand, wenn in der CBRAM-Zelle keine leitende Brücke 37 ausgebildet ist, und erfährt einen niedrigen Widerstand, wenn in der CBRAM-Zelle eine leitende Brücke 37 ausgebildet ist. Ein hoher Widerstand repräsentiert beispielsweise logisch "0", wohingegen ein niedriger Widerstand logisch "1" repräsentiert, oder umgekehrt. Der Strom, der zwischen der ersten Elektrode 31 und der zweiten Elektrode 32 fließt, ist der Strom (wenigstens ein Teil des Stroms), der durch den erfindungsgemäßen einstellbaren Widerstand fließt.
10 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem ersten Prozess P1 wird ein Widerstands-Zielwert des einstellbaren Widerstands festgelegt. In einem zweiten Prozess P2 wird zumindest ein Strompfadwiderstand wenigstens eines Strompfads eingestellt, indem die Speicherzustände wenigstens einer Speicherzelle, die Teil des wenigstens einen Strompfads ist, solange eingestellt werden, bis der Widerstands-Zielwert erreicht ist.
11 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen RLC-Schaltung. Eine RLC-Schaltung 1'' weist einen Widerstand 2, einen Induktor 3, einen Kondensator 4 und eine Spannungsquelle 5 auf, die parallelgeschaltet sind.
Die elektrischen Eigenschaften der RLC-Schaltung 1'' können geändert werden, indem der Widerstand des Widerstands 2, die Impedanz des Induktors 3 und die Kapazität des Kondensators 4 eingestellt werden. Der Widerstand 2 beinhaltet eine erste bis vierte programmierbare Speicherzelle 11₁ bis 11₄ , die parallel geschaltet sind. Der Widerstand des Widerstands 2 kann eingestellt werden, indem die Speicherzustände der ersten bis vierten Speicherzellen 11₁ bis 11₄ programmiert werden unter Verwendung einer Widerstands-Einstelleinheit 40, die mit den Strompfadeingangsanschlüssen und den Strompfadausgangsanschlüssen der ersten bis vierten Speicherzelle 11₁ bis 11₄ verbunden sind (indem entsprechende Programmierspannungen an die Speicherzellen angelegt werden, oder Programmierströme durch die Speicherzellen geleitet werden).
In der folgenden Beschreibung werden weitere Merkmale der Erfindung erläutert.
Es ist wünschenswert, einstellbare Signale mit bestimmten Frequenzen oder einstellbare Filter für bestimmte Frequenzen bereitzustellen. Um dies zu ermöglichen, wurden zahlreiche Applikationen für sogenannte einstellbare Schaltungen ("tuned circuits") (RLC-Schaltung, Resonanzschaltung) insbesondere im Zusammenhang mit Radio- und Kommunikationssystemen entwickelt. Der Begriff "RLC-Schaltung" umfasst hier auch den Fall, dass R, L oder C den Wert Null annehmen. RLC-Schaltungen werden dazu benutzt, um einen bestimmten engen Frequenzbereich aus dem Gesamtspektrum von Radiowellen auszuwählen.
Eine RLC-Schaltung ist eine elektrische Schaltung, die aus einem Widerstand (R), einem Induktor (L) sowie einem Kondensator (C) besteht, die in Serie beziehungsweise parallel geschaltet sind. Die Eigenschaften einer RLC-Schaltung können geändert werden, indem der Widerstand des Widerstands R, die Impedanz des Induktors L sowie die Kapazität des Kondensators C geändert wird, oder indem einzelne oder Gruppen dieser Vorrichtungen mit der Schaltung parallel geschaltet oder in Serie geschaltet werden. Der Widerstand wird normalerweise mittels einer Widerstands-"Batterie" abgestimmt, die in Reihe oder in Serie aktiviert werden (beispielsweise durch Schmelzen oder durch Zugangstransistoren). Alternativ wird der Widerstand mittels eines Transistors oder Potentiometers gesteuert.
Diese Lösungen sind platzintensiv (Batterie an Widerständen, Potentiometer), lediglich einmal einstellbar (Schmelzprozess) oder benötigen viel Energie (Transistor).
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden programmierbare Widerstände (beispielsweise CBRAM-, PCRAM- oder Multilevel TS-MRAM Technologien) als einstellbare Widerstände in RLC-Schaltungen verwendet. Indem programmierbare Widerstände als einstellbare Widerstände in RLC-Schaltungen eingesetzt werden, können die RLC-Schaltungen wiederholt eingestellt werden. Die Implementierung derartiger Widerstände ist wenig platzintensiv und benötigt weniger Energie als andere Lösungen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird eine CBRAM-Zelle in einer RLC-Schaltung eingesetzt. Der Widerstand wird mittels eines bestimmten Gleichstroms, der durch die Vorrichtung fließt, eingestellt (die angelegte Spannung ist höher als Vton) was einen bestimmten programmierten Widerstand zur Folge hat. Die RLC-Schaltung wird bei Amplituden betrieben, die niedriger sind als |Vton| und |Vtoff| (Schwellenwertspannungen zum Programmieren/Löschen von Leitungspfaden innerhalb der CBRAM-Zelle) bei niedrigeren Frequenzen und Amplituden, um sicher zu stellen, dass der Widerstand für höhere Frequenzen nicht geändert wird. Ein Refresh des Widerstands kann nach einer bestimmten Anzahl von Zyklen ausgeführt werden, um eine ausreichende Genauigkeit des Widerstands zu garantieren.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird eine Multilevel-TS-MRAM-Zelle in einer RLC-Schaltung eingesetzt. Das Einstellen des Widerstands wird ausgeführt, indem die Zelle auf die Blocking-Temperatur T_B aufgeheizt wird, und die Orientierung der Top-Pinning-Schicht gedreht wird, was entweder durch Anlegen eines externen magnetischen Felds oder durch Verwendung des magnetischen Felds erfolgt, dass aus dem kontrollierbaren Strom resultiert, der durch zwei Leitungsdrähte auf oder unterhalb der Zelle fließt (die Leitungsdrähte verlaufen orthogonal zueinander). Beim Betreiben der Vorrichtung wird darauf geachtet, dass die Temperatur der Vorrichtung unterhalb der Blocking-Temperatur der Top-Pinning-Schicht verbleibt.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird eine PCRAM-Zelle in einer RLC-Schaltung eingesetzt. Das Abstimmen des Widerstands wird ausgeführt, indem ein kontrollierter Heizstrom durch den Widerstand geleitet wird. Die RLC-Schaltung wird betrieben unter Verwendung von Strömen, die den Widerstand unterhalb Tg halten. Ein Refresh des Widerstands kann nach einer gewissen Anzahl an Zyklen ausgeführt werden, um eine ausreichende Genauigkeit des Widerstands sicherzustellen.
Im Rahmen der Erfindung können die Begriffe "verbunden" und "gekoppelt" sowohl direktes als auch indirektes Verbinden und Koppeln bedeuten.

1, 1': RLC-Schaltung
2: Widerstand
3: Induktor
4: Kondensator
5: Spannungsquelle
6, 6', 6': Schaltungsanordnung
7: einstellbarer Widerstand
8: Widerstandseingangsanschluss
9: Widerstandsausgangsanschluss
10: Strompfad
11: programmierbare Speicherzelle
12: Anordnung mikroelektronischer Speicherzellen
13: Wortleitung
14: Bitleitung
15: Strompfad
16: Strompfad
17: PCRAM-Zelle
18: Bottomelektrode
19: Heizelement
20: aktives Material
21: Topelektrode
22: Gebiet
23: MRAM-Zelle
24: CBRAM-Zelle
25: Topelektrode
26: aktives Material
27: Bottomelektrode
31: erste Elektrode
32: zweite Elektrode
33: Festkörperelektrolytblock
34: erste Oberfläche
35: zweite Oberfläche
36: Isolationsstruktur
37: Leitungsbrücke
40: Widerstands-Einstelleinrichtung

Claims

Einstellbarer Widerstand, • mit einem Widerstandseingangsanschluss, einem Widerstandsausgangsanschluss sowie wenigstens einem Strompfad, der zwischen den Widerstandseingangsanschluss und den Widerstandsausgangsanschluss geschaltet ist, wobei zumindest ein Strompfad durch zumindest eine Speicherzelle einer Anordnung programmierbarer Speicherzellen hindurchläuft, • mit einer Widerstandseinstelleinrichtung, die die Strompfadwiderstände der Strompfade einstellt, indem die Speicherzustände entsprechender Speicherzellen programmiert werden, oder indem Strompfade aktiviert/deaktiviert werden, derart, dass der Gesamtwiderstand zwischen dem Widerstandseingangsanschluss und dem Widerstandsausgangsanschluss auf einen bestimmten Widerstandszielwert gesetzt wird.
Einstellbarer Widerstand nach Anspruch 1, wobei jede Speicherzelle einen Strompfadeingangsanschluss und einen Strompfadausgangsanschluss aufweist, wobei die Widerstandseinstelleinrichtung unter Verwendung der Anschlüsse eine Programmierspannung an die Speicherzelle anlegt, um die Speicherzelle zu programmieren.
Einstellbarer Widerstand nach Anspruch 1, wobei die Speicherzellen Teile eines Speicherzellenarrays programmierbarer Speicherzellen sind.
Einstellbarer Widerstand nach Anspruch 1, wobei der Widerstand als Verkettung mehrer Strompfade realisiert ist, die in Serie oder parallel geschaltet sind.
Einstellbarer Widerstand nach Anspruch 1, wobei zumindest eine der programmierbaren Speicherzellen eine Festkörperelektrolyt-Speicherzelle mit wahlfreiem Zugriff (CBRAM-Zelle) ist.
Einstellbarer Widerstand nach Anspruch 5, wobei die Programmiereinrichtung die Speicherzustände der CBRAM-Zellen programmiert, indem leitende Pfade in den CBRAM-Zellen ausgebildet oder gelöscht werden.
Einstellbarer Widerstand nach Anspruch 1, wobei zumindest eine der programmierbaren Speicherzellen eine magnetoresistive Speicherzelle mit wahlfreiem Zugriff (MRAM-Zelle) ist.
Einstellbarer Widerstand nach Anspruch 7, wobei die Programmiereinrichtung die Speicherzustände der MRAM-Zellen programmiert, indem die magnetische Orientierung innerhalb der MRAM-Zellen geändert wird.
Einstellbarer Widerstand nach Anspruch 1, wobei zumindest eine der programmierbaren Speichernzellen eine Phasenänderungszelle mit wahlfreiem Zugriff (PCRAM-Zelle) ist.
Einstellbarer Widerstand nach Anspruch 9, wobei die Programmiereinrichtung die Speicherzustände der PCRAM-Zellen programmiert, indem Phasenübergänge innerhalb der PCRAM-Zelle erzeugt werden.
Verfahren zum Betreiben eines einstellbaren Widerstands, der einen Widerstandseingangsanschluss, einen Widerstandsausgangsanschluss und zumindest einen Strompfad, der zwischen den Widerstandseingangsanschluss und den Widerstandsausgangsanschluss geschaltet ist, aufweist, wobei zumindest ein Strompfad durch wenigstens eine Speicherzelle einer Anordnung programmierbarer Speicherzellen verläuft, wobei das Verfahren die folgenden Prozesse aufweist: • Festlegen eines Widerstandszielwerts, • Einstellen der Strompfadwiderstände der Strompfade, indem die Speicherzustände entsprechender Speicherzellen programmiert werden oder Strompfade aktiviert/deaktiviert werden, derart, dass der Gesamtwiderstand zwischen dem Widerstandseingangsanschluss und dem Widerstandsausgangsanschluss auf einen bestimmten Widerstandszielwert gesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei jede Speicherzelle einen Strompfadeingangsanschluss und einen Strompfadausgangsanschluss aufweist, wobei der Einstellprozess einer Speicherzelle ausgeführt wird, indem eine Programmierspannung an die Speicherzelle angelegt wird unter Verwendung des entsprechenden Strompfadeingangsanschlusses und Strompfadausgangsanschlusses als Spannungsversorger.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei zumindest eine der programmierbaren Speicherzellen eine Festköperelektrolyt-Zelle mit wahlfreiem Zugriff (CBRAM-Zelle) ist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Widerstandseinstelleinrichtung die Speicherzustände der CBRAM-Zelle programmiert, indem innerhalb der CBRAM-Zellen leitende Pfade ausgebildet oder gelöscht werden.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei zumindest eine der programmierbaren Speicherzellen eine magnetoresistive Zelle mit wahlfreiem Zugriff (MRAM-Zelle) ist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Widerstandseinstelleinrichtung die Speicherzustände der MRAM-Zellen programmiert, indem die magnetische Orientierung innerhalb der MRAM-Zellen geändert wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei zumindest eine der programmierbaren Speicherzellen eine Phasenänderungszelle mit wahlfreiem Zugriff (PCRAM-Zelle) ist.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Widerstandseinstelleinrichtung die Speicherzustände der PCRAM-Zellen programmiert, indem innerhalb der PCRAM-Zellen Phasenübergänge verursacht werden.
Computerprogrammprodukt, das dazu ausgelegt ist, bei Ausführung auf einen Computer oder einem digitalen Signalprozessor ein Verfahren zum Betreiben eines einstellbaren Widerstands auszuführen, der einen Widerstandseingangsanschluss, einen Widerstandsausgangsanschluss sowie wenigstens einen Strompfad, der zwischen den Widerstandseingangsanschluss und den Widerstandsausgangsanschluss geschaltet ist, aufweist, wobei wenigstens ein Strompfad durch wenigstens eine Speicherzelle einer Anordnung programmierbarer Speicherzellen verläuft, wobei das Verfahren die folgenden Prozesse aufweist: • Festlegen eines Widerstandszielwerts, • Einstellen der Strompfadwiderstände der Strompfade, indem die Speicherzustände entsprechender Speicherzellen programmiert werden, oder Strompfade aktiviert/deaktiviert werden, derart, dass der Gesamtwiderstand zwischen dem Widerstandseingangsanschluss und dem Widerstandsausgangsanschluss auf einen bestimmten Widerstandszielwert gesetzt wird.
Datenträger, der ein Computerprogrammprodukt gemäß Patentanspruch 19 speichert.