DE112005002286T5 - Steuern von Speicherbauelementen mit variablen Widerstandseigenschaften - Google Patents

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Tzu-Ning Palo Alto Fang
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Abstract

System zur Unterstützung von Speicherbauelementen (200, 300, 400, 900, 1100) mit:
einer Speichereinrichtung (200, 300, 400, 900, 1100) mit variablen Widerstandseigenschaften; und
einer Impedanzsteuerungskomponente, die eine Stabilisierung mindestens eines Parameters der Speichereinrichtung (200, 300, 400, 900, 1100) während der Speicheroperationen ermöglicht.

Description

  • Referenz auf zugehörige Anmeldungen
  • Dies ist eine weiterführende Anmeldung der US-Patentanmeldung mit der Nr. 10/951,375, die am 28. September 2004 eingereicht wurde mit dem Titel „Steuern von Speicherbauelementen mit variablen Widerstandseigenschaften". Die Gesamtheit dieser Anmeldung ist hierin durch Bezugnahme mit aufgenommen.
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Speicherbauelemente und betrifft insbesondere das Steuern von Widerstandseigenschaften von Speicherbauelementen zum Löschen und Programmieren.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Die Größe, die Verwendung und die Komplexität von Computern und elektronischen Geräten nimmt ständig zu. Computer werden ständig leistungsfähiger mittels neuer und verbesserter elektronischer Bauelemente, die einer ständigen Entwicklung unterliegen (beispielsweise digitale Audoabspielgeräte, Videoabspielgeräte). Ferner hat die Ausbreitung und die Verwendung digitaler Medien (beispielsweise Audio, Video, Bildbearbeitung und dergleichen) die Entwicklung dieser Bauelemente gefördert. Eine derartige Verbreitung und Entwicklung hat die Informationsmenge drastisch erhöht, die gespeichert und für Computer und elektronische Bauelemente bewahrt werden muss oder soll.
  • Im Allgemeinen wird Information in einem oder mehreren aus einer Reihe von unterschiedlichen Arten von Speichereinrichtungen gespeichert und bewahrt. Zu Speichereinrichtungen gehören Langzeitspeichermedien, beispielsweise Festplattenlaufwerke, Kompaktlaufwerke, und entsprechende Medien, digitale Videodiskettenlaufwerke (DVD), und dergleichen. Die Langzeitspeichermedien speichern typischerweise große Mengen an Information bei geringeren Kosten, sind aber langsamer als andere Arten von Speicherbauelementen. Speichergeräte umfassen ferner Speicherbauelemente, die häufig aber nicht immer Kurzzeitspeichermedien sind.
  • Speicherbauelemente sind tendenziell deutlich schneller als Langzeitspeichermedien. Zu derartigen Speicherbauelementen gehören beispielsweise dynamische Speicher mit wahlfreiem Zugriff (DRAM), statische Speicher mit wahlfreiem Zugriff (SRAM), Speicher mit doppelter Datenrate (DDR), Flash-Speicherbauelemente, NUR-Lese-Speicher (ROM), und dergleichen. Speicherbauelemente werden in flüchtige und nicht flüchtige Arten unterteilt. Flüchtige Speicherbauelemente verlieren im Allgemeinen ihre Information, wenn die Versorgungsspannung abgeschaltet wird und erfordern typischerweise periodische Auffrischzyklen, um ihre Information zu halten. Zu flüchtigen Speicherbauelementen gehören beispielsweise Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM), DRAM, SRAM und dergleichen. Nicht flüchtige Speicherbauelemente behalten ihre Information, unabhängig davon, ob die Versorgungsspannung an den Bauelementen anliegt oder nicht. Zu nicht flüchtigen Speicherbauelementen gehören, ohne einschränkend zu sein, ROM's, programmierbare Nur-Lese-Speicher (PROM), löschbare programmierbare Nur-Lese-Speicher (EPROM), Flash-Speicher, und dergleichen. Flüchtige Speicherbauelemente bieten im Allgemeinen schnellere Arbeitsgeschwindigkeiten bei geringeren Kosten im Vergleich zu nicht flüchtigen Speicherbauelemente.
  • Speicherbauelemente enthalten im Allgemeinen Arrays bzw. Felder aus Speicherzellen. Auf jede Speicherzelle kann zugegriffen werden oder diese kann „ausgelesen", „beschrieben", und „gelöscht" werden im Hinblick auf die spezielle Information. Die Speicherzellen enthalten Information in einem „Aus" oder einem „Ein"-Zustand (beispielsweise sind diese auf zwei Zustände begrenzt), die auch als „0" und „1" bezeichnet werden. Typischerweise wird ein Speicherbauelement adressiert, um eine spezifizierte Anzahl an Bytes abzurufen (beispielsweise 8 Speicherzellen pro Byte). Für flüchtige Speicherbauelemente müssen die Speicherzellen periodisch „aufgefrischt" werden, um ihren Zustand zu bewahren. Derartige Speicherbauelemente werden typischerweise als Halbleiterbauelemente hergestellt, die die diversen Funktionen ausführen und in der Lage sind, zwischen zwei Zuständen hin und her zu schalten und diese zu bewahren. Die Bauelemente werden häufig mittels anorganischer Festkörpertechnologie aufgebaut, etwa in Form kristalliner Siliziumbauelemente. Ein übliches Halbleiterbauelement, das in Speicherbauelementen eingesetzt ist, ist der Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET).
  • Die Verwendung von tragbaren Computern und elektronischen Bauelementen hat die Nachfrage nach nicht flüchtigen Speicherbauelementen stark erhöht. In Digitalkameras, digitalen Audioabspielgeräten, persönlichen digitalen Assistenten, und dergleichen wird für gewöhnlich versucht, nicht flüchtige Speicherbauelemente mit größerer Kapazität einzusetzen (beispielsweise Flash-Speicher, intelligente Medien, Kontakt-Flash-Speicher, etc.).
  • Auf Grund der zunehmenden Nachfrage nach Informationsspeicherung versuchen die Hersteller und Entwickler von Speicherbauelementen stets, die Speicherkapazität für Speicherbauelemente zu vergrößern (beispielsweise den Speicherbereich pro Chip oder Chipfläche zu vergrößern). Ein briefmarkengroßes Siliziumstück kann einige 10 Millionen Transistoren enthalten, wobei jeder Transistor lediglich einige 100 nm groß ist. Jedoch erreichen Bauelemente auf Siliziumbasis ihre fundamentalen physischen Größengrenzen. Anorganische Festkörperbauelemente weisen nachteiligerweise eine komplexe Architektur auf, die zu hohen Kosten und einem Verlust an Datenspeicherdichte führt. Die flüchtigen Halbleiterspeicher auf der Grundlage eines anorganischen Halbleitermaterials müssen ständig mit elektrischem Strom versorgt werden, woraus sich Erwärmung und eine hohe elektrische Leistungsaufnahme ergeben, um damit die gespeicherte Information zu bewahren. Nicht flüchtige Speicherbauelemente besitzen eine reduzierte Datenrate und eine relativ hohe Leistungsaufnahme und ein hohes Maß an Komplexität.
  • Wenn die Größe anorganischer Festkörperbauelemente abnimmt und die Integration zunimmt, wächst auch die Empfindlichkeit für Justiertoleranzen, wodurch die Herstellung deutlich schwieriger wird. Die Herstellung von Strukturelementen bei geringer minimaler Größe impliziert nicht, dass die minimale Größe auch für die Herstellung von gebrauchsfähigen Schaltungen eingesetzt werden kann. Es ist notwendig, Justiertoleranzen vorzusehen, die wesentlich kleiner sind als die kleinste minimale Größe, und beispielsweise ein Viertel der minimalen Größe beträgt.
  • Das Größenreduzieren anorganischer Festkörperbauelemente bringt Probleme hinsichtlich der Dotierstoffdiffusionslänge mit sich. Wenn die Abmessungen reduziert werden, führen die Dotierstoffdiffusionslängen in Silizium zu Schwierigkeiten bei der Prozessgestaltung. In dieser Hinsicht wurden viele Schritte unternommen, um die Dotierstoffbeweglichkeit zu verringern und um die Prozesszeit bei hohen Temperaturen zu reduzieren. Jedoch ist nicht klar, ob derartige Prozesseinschränkungen in unbegrenzter Weise fortgesetzt werden können.
  • Das Anlegen einer Spannung über einem Halbleiterübergang (in der Sperrrichtung) erzeugt ein Verarmungsgebiet um den Übergang herum. Die Breite des Verarmungsgebiets hängt von den Dotierstoffpegeln des Halbleiters ab. Wenn das Verarmungsgebiet sich soweit ausdehnt, dass ein weiteres Verarmungsgebiet berührt wird, kann ein Durchschlag oder ein nicht gesteuerter Stromfluss auftreten.
  • Größere Dotierstoffpegel neigen tendenziell dazu, die Abstände zu verkleinern, die zum Verhindern von Durchschlägen erforderlich sind. Wenn jedoch die Spannung pro Einheitslänge groß ist, ergeben sich weitere Schwierigkeiten dahingehend, dass eine große Spannungsänderung pro Einheitslänge zu einem hohen elektrischen Feld führt. Ein Elektron, das einen derartigen steilen Gradienten durchläuft, wird bis zu einem Energiepegel beschleunigt, der deutlich höher ist als die minimale Leitungsbandenergie. Ein derartiges Elektron ist als ein heißes Elektron bekannt und erhält ausreichend Energie, um einen Isolator zu durchdringen, wodurch eine irrverisible Beeinträchtigung eines Halbleiterbauelements stattfindet.
  • Das Skalieren und die Integration führen dazu, dass die Isolation in einem monolithischen Halbleitersubstgrat zunehmend schwierig ist. Insbesondere die laterale Trennung von Bauelementen voneinander ist in einigen Situationen äußerst schwierig. Eine weitere Schwierigkeit ist die Verringerung des Leckstromes. Eine noch weitere Schwierigkeit ergibt sich durch die Diffusion von Ladungsträgern innerhalb des Substrats. D. h., freie Ladungsträger können über mehrerer 10 μm diffundieren und können eine gespeicherte Ladung neutralisieren. Somit kann die weitere Größenreduzierung von Bauelementen und die Erhöhung der Dichte für anorganische Speicherbauelemente an Grenzen stoßen. Ferner ist eine derartige Bauteilgrößenreduzierung für anorganische nicht flüchtige Speicherbauelemente unter Beibehaltung einer erhöhten Leistungsfähigkeit insbesondere schwierig. wenn geringe Kosten beibehalten werden sollen.
  • Diese Arten der Beschränkung anorganischer Bauelemente haben zu einer erhöhten Aufmerksamkeit für organische Halbleiterspeicherbauelemente als einen nächsten logischen Schritt in der Entwicklung von Halbleiterbauelementen geführt. Daher werden organische Bauelemente zunehmend verwendete Bestandteile in Halbleiterfertigungsstätten und insbesondere in elektronischen Bauelementen. Es ist vorstellbar, dass die meisten elektronischen Einrichtungen in der nahen Zukunft eine gewisse Art organischer Halbleiterbauelement enthalten. Unabhängig davon, ob organische oder anorganische Bauelemente betrachtet werden, haben sich technologische Fortschritte in Richtung von Halbleiterbauelementen ergeben, in denen ein Widerstand als ein Mittel verwendet wird, um die Zustandswerte des Speichers zu bestimmen. Daher sind Widerstandswerte und ihre Steuerung wichtige Aspekte beim Fortschreiten der Speichertechnologie.
  • Überblick über die Erfindung
  • Das Folgende ist ein Überblick über die Erfindung, um ein grundlegendes Verständnis einiger Aspekte der Erfindung bereitzustellen. Dieser Überblick beabsichtigt nicht, wesentliche/kritische Elemente der Erfindung anzugeben oder den Schutzbereich der Erfindung abzugrenzen. Der einzige Zweck besteht darin, einige Konzepte der Erfindung in vereinfachter Form als eine Einleitung zu der detaillierteren Beschreibung, die nachfolgend angegeben ist, zu präsentieren.
  • Es werden Vorrichtungen und Verfahren zum Ermöglichen des Programmierens und Löschens organischer und/oder anorganischer Speicherbauelemente bereitgestellt. Die vorliegende Erfindung verwendet ein Mittel, das das Steuern der inhärenten Variabilität des internen Widerstands eines Speicherbauelements während des Programmierens und Löschens ermöglicht. Die vorliegende Erfindung bietet verbesserte Genauigkeit und Effizienz beim Programmieren von Mehrbit-Speicherbauelementen.
  • Die vorliegende Erfindung ermöglicht ferner die Datenspeicherung, indem die Effizienz für die Art und Weise verbessert wird, in der Speicherbauelemente ihre Zustände ändern. Durch Verwenden einer Konstantstromquelle kann der Speicher in präziser Weise in einen von mehreren Zuständen, die für den Speicher verfügbar sind, programmiert werden. Dies ermöglicht ein rasches und präzises Programmieren der Mehrbitbauelemente, ohne dass speicherschädigende Stromspitzenwerte auftreten. In ähnlicher Weise kann durch die Verwendung von Konstantspannungsquellen der Speicher unabhängig von großen dynamischen Widerstandsänderungen, die einigen Arten von Speichern innewohnen, gelöscht werden. Die vorliegende Erfindung erlaubt ferner eine effiziente Herstellung von Speicherbauelementen mit hoher Qualität, indem Konstantstromquellen und Konstantspannungsquellen eingesetzt werden, wobei Fehlfunktionen reduziert und die Zuverlässigkeit erhöht werden.
  • Um die zuvor angegebenen Ziele und andere Aspekte zu erreichen, umfasst die Erfindung Merkmale, die im Weiteren vollständig beschrieben und insbesondere in den Patentansprüchen dargestellt sind. Die folgende Beschreibung und die begleitenden Zeichnungen geben detailliert gewisse anschauliche Aspekte und Implementierungen der Erfindung an. Diese sind für einige wenige der diversen Arten kennzeichnend, in der die Prinzipien der Erfindung eingesetzt werden können. Andere Aufgaben, Vorteile und neue Merkmale der Erfindung gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung hervor, wenn diese in Verbindung mit den Zeichnungen betrachtet wird.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine dreidimensionale Ansicht eines Speicherbauelementsarrays gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung.
  • 2 ist eine dreidimensionale Ansicht eines Beispiels eines organischen Speicherbauelements.
  • 3 ist eine Ansicht, die ein Speicherbauelement unter Anwendung einer Konstantspannungsquelle gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • 4 ist eine Ansicht, die ein Speicherbauelement unter Anwendung einer Konstantstromquelle gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 5 ist ein Graph, der eine I-U-(Strom-Spannungs-) Eigenschaft für ein grundlegendes Speicherbauelement gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 6 ist ein Graph, der die I-U-Eigenschaften einer Speicherdiode gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 7 ist ein Graph, der eine Konstantstromquelle gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • 8 ist ein Graph, der eine Konstantstromquelle auf Transistorbasis gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 9 ist eine Darstellung eines Speicherbauelements mit einem Transistor, wobei die Stromsteuerung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung verwirklicht wird.
  • 10 ist ein Graph, der Strompegel für diverse Transistorgatespannungen gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 11 ist eine Darstellung eines Speicherbauelements mit einem Transistor, wobei die Stromsteuerung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ermöglicht wird.
  • 12 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Steuern eines organischen Speicherbauelements gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Das Folgende ist eine detaillierte Beschreibung der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, wobei gleiche Bezugszeichen durchwegs die gleichen Elemente bezeichnen.
  • Zellen eines Speicherbauelements arbeiten im Allgemeinen so, dass zwei oder mehrere Zustände diversen Impedanzpegeln entsprechen. Diese Zustände werden gesetzt, indem eine Vorspannung angelegt wird und die Zellen anschließend in ihren entsprechenden Zuständen verbleiben, bis eine weitere Spannung als umgekehrte, Vorspannung angelegt wird. Die Zellen behalten ihre Zustände mit und ohne Anliegen der Versorgungsleistung (beispielsweise nicht flüchtig) bei und können elektronisch oder optisch ausgelesen werden, indem der eingeprägte Strom oder die Lichtemission gemessen werden. Die Systeme und Verfahren der vorliegenden Erfindung ermöglichen sowohl das Programmieren (Schreiben) als auch das Löschen von Speicherbauelementen mittels der Steuerung ihrer Widerstandseigenschaften.
  • In 1 ist eine dreidimensionale Darstelldung eines Speicherbauelementarrays 100 gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung gezeigt. 1 ist ein spezielles Beispiel zur Darstellung einer Speicherzelle 102 aus dem Bauelementarray 100 mit entsprechender Bitleitung 104 und Wortleitung 106, die mit einer „Konstantquelle" 108 verbunden sind. Die Konstantquelle 108 kann eine Konstantspannungsquelle 112 oder eine Konstantstromquelle 114 sein. In diesem anschaulichen Beispiel ist die Konstantquelle 108 durch einen Konstantquellenselektor bzw. Auswahlschalter 110 umschaltbar. Die Konstantquelle 108 stellt eine Konstantstromquelle 114 zum Programmieren oder Beschreiben und eine Konstantspannungsquelle zum Löschen der Speicherzelle 102 bereit. Diese Konstantquellen 112, 114 dienen als ein Widerstandslastelement, wenn sie elektrisch mit der organischen Speicherzelle 102 verbunden sind. Die vorliegende Erfindung erfordert nicht, dass sowohl eine Konstantstromquelle 114 als auch eine Konstantspannungsquelle 112 vorgesehen ist. Die Quellen können unterschiedliche Einheiten sein. Sie können auch unabhängig in anderen Fällen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden, und können in das Speicherbauteilarray 100 integriert sein.
  • Die Konstantspannungsquelle 112 bildet eine Last für die Speicherzelle 102 während des Löschens. Eine typische Speicherzelle besitzt keinen Lastwiderstand in Reihe mit der Zelle, so dass die vorliegende Erfindung diese Funktion bereitstellen kann. Dies ermöglicht in präziser Weise ein Steuern der Spannung über der Speicherzelle während des Löschens. Einige Arten von Speicherzellen besitzen die Fähigkeit, den Widerstand zu variieren, um damit zusätzliche Speicherzustände bereitzustellen. Diese gleiche Fähigkeit bringt jedoch auch Probleme während des Löschens mit sich auf Grund der deutlichen Widerstandsänderung, wenn diese Funktion verwendet wird. Die Konstantstromquelle 114 stellt eine Last für die Speicherzelle 102 während des Programmierens bereit. Wenn eine Speicherzelle einen variablen Widerstand zur Speicherung von Zuständen anwendet, ist es wichtig, in genauer Weise den abschließenden Widerstandswert zu steuern, um damit eine Zelle in geeigneter Weise zu programmieren. Häufig kann es während eines Schreibzyklus beim Stromfluss durch die Zelle zu einem Stromspitzenwert kommen, wodurch ungenaue Zustände hervorgerufen werden. Das Verwenden einer Konstantstromquelle eliminiert Stromspitzen und erlaubt eine genaue Steuerung der Widerstandszustände der Zelle. Die vorliegende Erfindung stellt ein Mittel bereit, um in genauer Weise den in die Zelle eingeprägten Strom unabhängig von dem Widerstand der Zelle zu steuern, und damit den programmierten Zustand in genauer Weise zu steuern.
  • Es ist hilfreich die Grundlagen zu verstehen, wie einige Speicherzellen funktionieren, um die vorliegende Erfindung vollständig würdigen zu können. Eine organische Speicherzelle ist für gewöhnlich aus zwei Elektroden mit einem zwischen den zwei Elektroden angeordneten leitenden Einstellmedium aufgebaut. Das leitende Einstellmedium enthält eine organische Leiterschicht und eine oder mehrere Passivierungsschichten. Das leitende Einstellmedium wird programmiert (beispielsweise beschrieben), indem Vorspannungen angelegt werden, die einen gewünschten Impedanzzustand in die Speicherzelle programmieren. Der gewünschte Impedanzzustand repräsentiert ein oder mehrere Bits an Information und erfordert keine konstante Leistungszufuhr oder Auffrischzyklen, um den gewünschten Impedanzzustand zu bewahren. Der Impedanzzustand des leitenden Einstellmediums wird ausgelesen, indem ein Strom eingeprägt wird und anschließend die Impedanz des leitenden Einstellmediums ausgelesen wird. Wie bei dem geschriebenen Impedanzzustand repräsentiert der Ausleseimpedanzzustand ein oder mehrere Bits an Information.
  • In 2 ist eine dreidimensionale Ansicht eines Beispiels eines organischen Speicherbauelements 200 gezeigt. Das Speicherbauelement umfasst eine erste Elektrode 204, eine passive Schicht 206, eine organische Leiterschicht 208 und eine zweite Elektrode 210. Die Ansicht zeigt ferner eine Spannungsquelle 202, die mit der ersten Elektrode 204 und der zweiten Elektrode 210 verbunden ist und die der ersten Elektrode 204 und der zweiten Elektrode 210 eine Spannung zuführt.
  • Die erste Elektrode 204 und die zweite Elektrode 210 sind aus einem leitenden Material aufgebaut. Die Dicke der ersten Elektrode 204 und der zweiten Elektrode 210 kann in Abhängigkeit der Ausführungsform und des aufzubauenden Speicherbauelements variieren. Die organische Leiterschicht 208 und die passive Schicht 206 werden gemeinsam als ein leitendes Einstellmedium oder Regulationsmedium bezeichnet. Die leitenden Eigenschaften diese Mediums (beispielsweise leitfähig, nicht leitfähig, halbleitend) kann in gesteuerter Weise modifiziert werden, indem diverse Spannung über dem Medium mittels den Elektroden 204 und 210 angelegt werden.
  • Das organische Speicherbauelement kann, wie konventionelle Speicherbauelemente, zwei Zustände aufweisen, einen leitenden (geringe Impedanz oder „Ein") Zustand oder einen nicht leitenden (Hochimpedanz oder „Aus) Zustand. Anders als konventionelle Speicherbauelemente ist das organische Speicherbauelement jedoch in der Lage, mehrere Zustände zu bewahren, im Gegensatz zu einem konventionellen Speicherbauelement, das auf zwei Zustände beschränkt ist (beispielsweise aus oder ein). Das organische Speicherbauelement kann mit unterschiedlichen Maßen an Leitfähigkeit verwirklicht werden, um weitere Zustände zu kennzeichnen. Beispielsweise kann das organische Speicherbauelement einen sehr gut leitenden Zustand (Zustand mit sehr geringer Impedanz) einen gut leitenden Zustand (Zustand mit geringer Impedanz), einen leitenden Zustand (Zustand mit mittlerer Impedanz) und einen nicht leitenden Zustand (Hochimpendanzzustand) aufweisen. Dies ermöglicht das Speichern mehrerer Bits an Information in einer einzelnen organischen Speichereinrichtung, etwa zwei oder mehr Bits an Information oder vier oder mehr Bits an Information (z. B. vier Zustände liefern 2 Bits an Information, acht Zustände liefern 3 Bits an Information, etc.).
  • Das Umschalten der organischen Speichereinrichtung in einen speziellen Zustand wird als Programmieren oder Schreiben bezeichnet. Das Programmieren wird bewerkstelligt, indem eine spezielle Spannung (beispielsweise 9 Volt, 2 Volt, 1 Volt, etc.) über dem leitenden Einstellmedium mittels den Elektroden 204 und 210 angelegt wird. Die spezielle Spannung, die auch als eine Schwellwertspannung bezeichnet wird, variiert entsprechend dem jeweiligen gewünschten Zustand und ist im Allgemeinen deutlich größer als Spannungen, die während des normalen Betriebs eingesetzt wird. Somit gibt es typischerweise eine separate Schwellwertspannung, die dem gewünschten Zustand entspricht (z. B. „Aus", „Ein", etc.). Der Schwellwert variiert in Abhängigkeit einer Vielzahl von Faktoren, wozu die Art der Materialien gehören, die das organische Speicherbauelement bilden, die Dicke der diversen Schichten, und dergleichen. Die Spannungsversorgung 202 ist steuerbar und wird verwendet, um die Schwellwertspannung in diesem Aspekt der Erfindung bereitzustellen. In anderen Aspekten der Erfindung werden jedoch andere Mittel eingesetzt, um Schwellwertspannungen anzulegen.
  • Allgemein gesagt, das Vorhandensein eines externen Stimulus, etwa eines angelegten elektrischen Feldes, das einen Schwellwert („Ein"-Zustand) übersteigt, ermöglicht es, dass eine angelegte Spannung Information in die organische Speichereinrichtung schreibt, daraus ausliest oder diese löscht; wohingegen das Fehlen des externen Stimulus, der eine Schwellwertspannung („Aus"-Zustand) übersteigt, verhindert, dass eine angelegte Spannung, Information in die organische Speichereinrichtung schreibt oder darin löscht.
  • Um Information aus der organischen Speichereinrichtung auszulesen, wird eine Spannung oder ein elektrisches Feld (beispielsweise 2 Volt, 1 Volt, 0,5 Volt, etc.) mittels der Spannungsquelle 202 angelegt. Anschließend wird eine Impedanzmessung ausgeführt, die den Betriebszustand der Speichereinrichtung (beispielsweise hohe Impedanz, sehr geringe Impedanz, geringe Impedanz, mittlere Impedanz, und dergleichen) bestimmt. Wie zuvor angegeben ist, bezieht sich die Impedanz beispielsweise auf „Ein" (beispielsweise 1) oder „Aus" (beispielsweise 0) für ein Bauelement mit zwei Zuständen, oder bezeichnet „00", „01", „10" oder „11" für ein Bauelement mit 4 Zuständen. Zu beachten ist, dass eine andere Anzahl an Zuständen andere binäre Interpretationen ermöglichen kann. Um in die organische Speichereinrichtung geschriebene Information zu löschen, wird eine negative Spannung oder eine Polarität, die entgegengesetzt ist zu der Polarität des Schreibsignals und die einen Schwellwert übersteigt, angelegt.
  • Die vorliegende Erfindung kann auch für andere Speicherbauelementstypen eingesetzt werden, etwa Halbleiterspeicherbauelemente und nicht-Halbleiterbauelemente. Ein Bauelement, in welchem eine Widerstandssteuerung verwendet wird, kann ebenso in der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden, wozu, ohne einschränkend zu sein, verdrahtete Bauelemente, Bauelemente auf Metallsulfidbasis, Bauelemente mit Tunnelmechanismen, MOS-Bauelemente, organische Bauelemente und Bauelemente mit Widerstandszuständen, und dergleichen gehören. Beispielsweise kann bei der organischen Speicherstruktur, die in 2 gezeigt ist, eine Änderung in einer Metallstruktur vorgenommen werden, wobei die passive Schicht 206 aus Sulfiden und die organische Leiterschicht 208 aus Oxiden aufgebaut ist. Dies ergibt ein nichtorganisches Bauelement, das mittels der vorliegenden Erfindung steuerbar ist.
  • 3 zeigt eine Ansicht, in der ein Speicherbauelement 300 dargestellt ist, in der eine Konstantspannungsquelle 304 gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird. Eine Speicherzelle 302 ist elektrisch parallel mit der Konstantspannungsquelle 304 verbunden, um das Löschen der Speicherzelle 302 zu ermöglichen. Die Konstantspannungsquelle 304 liefert eine stabilisierende Wirkung für die Speicherzelle 302 bei einem gegebenen Spannungspegel. Dieser Spannungspegel ist ausreichend, um die Löschschwellwertspannung der Speicherzelle zu überschreiten, wodurch es möglich ist, die Speicherzelle 302 zu löschen. Der innere Aufbau der Speicherzelle 302 bewirkt, dass ihre Widerstandspegel variieren, wenn Spannungen über der Zelle 302 angelegt werden. Normalerweise würde dies verursachen, dass auch die Spannungsquelle variiert, wodurch eine Schwankung hervorgerufen wird, die die Wirksamkeit der Spannungsquelle zum geeigneten Löschen der Zelle verringert. Durch Verwenden einer Konstantspannungsquelle 304 kann ein gewünschter Löschspannungspegel für eine sorgfältige Löschung bewahrt werden, unabhängig von dem sich ständig ändernden Widerstand in der Speicherzelle 302. Dies ermöglicht ein höheres Maß an Steuerung und Effizienz während des Löschens der Speicherzelle 302. Das Eliminieren der Schwankungen der angelegten Spannung erlaubt eine höhere Effizienz, indem ein Mittel zum genauen Steuern des Spannungspegels auf einen Wert bereitgestellt wird, der ausreicht, um das Löschen zu bewirken, wobei die Spitzenspannungswerte reduziert werden, die die Zelle schädigen könnten und die zu einer erhöhten Verlustleistung führen würden. Ferner stellt das Steuern des Spannungspegels am Ende eines Löschzyklus sicher, dass das gewünschte Verhalten eines nachfolgenden Programmierzyklus beibehalten wird.
  • 4 zeigt eine Ansicht, in der ein Speicherbauelement 400 mit einer Konstantstromquelle 404 gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung gezeigt ist. Eine Speicherzelle 402 ist elektrisch in Reihe mit der Konstantstromquelle 404 verbunden, um das Programmieren der Speicherzelle 402 zu ermöglichen. Die Konstantstromquelle 404 erzeugt eine stabilisierende Wirkung auf die Speicherzelle 402 bei einem gegebenen Spannungspegel. Üblicherweise wird zum Programmieren der Speicherzelle 402 eine externe Spannung an die Zelle angelegt. Diese Spannung bewirkt, dass der innere Widerstand der organischen Speicherzelle abhängig von einem gewünschten Ergebnis variiert (in Abhängigkeit von der gespeicherten Information). Die externe Spannung bewirkt auch einen Stromfluss durch die Speicherzelle 402 während des Programmierens. Stromsprünge oder Stromspitzen können während dieses Prozesses auftreten. Dies bewirkt, dass der interne Widerstandswert der Speicherzelle 402 sich ebenfalls ändert. Durch Verwendung einer Konstantstromquelle 404 in Reihe mit der Speicherzelle 402 werden diese Sprünge oder Spitzen eliminiert, wodurch eine bessere Steuerung während des Programmierens der Zelle 402 möglich ist. Da einige Speicherzellen Mehrbitzellen sind (mit zwei Zuständen oder mehr), ermöglicht die genauere Steuerung der Widerstandswerte der Zellen, dass mehr Information in genauerer Weise mit einem höheren Maß an Zuverlässigkeit gespeichert werden kann.
  • 5 ist ein Graph 500, der die Strom- und Spannungseigenschaften einer grundlegenden Speichereinrichtung zeigt. Der Graph 500 zeigt, dass der Speicherzellenwiderstand einer Speicherbasiszelle in einen Zustand mit geringem Widerstand übergeht, wenn die Spannung größer als Vt_pgm ist, und die Speicherzelle zurück in den Zustand mit hohem Widerstand übergeht, wenn die Spannung in negativer Richtung verläuft und den Schwellwert Vt_er übersteigt. 6 ist ein Graph 600, der die Strom-Spannungseigenschaften eines Speicherbauelements mit Diodeneigenschaften zeigt. Diese Art einer Speicherzelle besitzt eine innere Diode, die mit Widerstandsumschalteigenschaften kombiniert ist. Der Speicherzellenwiderstand geht in einen Zustand mit geringem Widerstand (Ein-Zustand) über, wenn die Spannung größer wird als Vt_pgm und die Speicherzelle verhält sich entsprechend der Dioden I-U-Kurve bei einer kleineren Einschaltspannung. Auf Grund der inhärenten Diodeneigenschaft wird der Strom in der negativen Richtung gleichgerichtet. Daher kann die negative Spannung über der Zelle angelegt werden, aber es fließt kein Strom (oder ein sehr geringer Leckstrom) durch die Zelle. Wenn die negative Spannung den Schwellwert Vt_er übersteigt, kehrt die Speicherzelle in den Zustand mit hohem Widerstand zurück (Aus-Zustand).
  • 7 zeig einen Graphen 700, der eine Stromquelle zum Programmieren einer Speicherzelle zeigt. Der Graph stellt einen idealen konstanten Strom dar, der bei Veränderungen in der Spannung über einer Speicherzelle nicht variiert. Typischerweise nimmt die Spannung einer Speicherzelle ab, wenn der Widerstand kleiner wird. In einem Falle der vorliegenden Erfindung wird ein MOS-Transistor verwendet, um eine Konstantstromquelle bereitzustellen. In 8 ist ein Graph 800 dargestellt, in welchem eine Konstantstromquelle unter Anwendung der vorliegenden Erfindung dargestellt ist. 9 zeigt eine Speichereinrichtung 900, in der in diesem Beispiel ein Transistor 902 verwendet ist, der in Reihe mit einer Speicherzelle 904 als Last angeordnet ist, um damit erfindungsgemäß den Zugriff zu steuern. Der Transistor 902 kann den Speicherzellenstrom als eine Stromquelle mit einer ausgewählten Gatespannung steuern. Obwohl das Stromprofil nicht ein ideales Konstantstromverhalten zeigt, kann diese Gleichstromquelle ein im Wesentlichen akzeptables Leistungsverhalten zum Steuern der Speicherzellenwiderstandspegel liefern. 10 zeigt einen Graphen 1000, in der unterschiedliche Strompegel für eine gegebene Gatespannung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • In 11 wird eine Speicherzelle 1102 durch einen Transistor 1104 gesteuert, der eine Konstantspannungsquelle für eine Speichereinrichtung 1100 gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung bereitstellt. In diesem Falle der vorliegenden Erfindung wird der Transistor 1104 verwendet, um eine Konstantspannungsquelle zum Löschen der Speicherzelle 1102 einzurichten. Es wird eine hohe Gatespannung an den Transistor 1104 angelegt, um den Lastwiderstand zu minimieren.
  • In anderen Fällen der vorliegenden Erfindung besitzt eine Konstantstromquelle eine begrenzte Anzahl an Pegeln, die beim Programmieren einer Speicherzelle auf spezielle Widerstandspegel unterstützend wirken. In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Konstantstromquelle in kontinuierlicher Weise variabel, um damit eine unbegrenzte Anzahl an Strompegeln beim Ermöglichen des Programmierens einer Speicherzelle bereitzustellen.
  • In noch weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfasst ein System eine Einrichtung zum Bereitstellen einer Konstantstromquelle und eine Einrichtung für eine Konstantspannungsquelle wird verwendet, um Speicherzellen zu löschen und zu programmieren. Das System kann eine Einrichtung aufweisen, um einen gewünschten Impedanzzustand bzw. Zustände einer oder mehrerer Speicherzellen zu bestimmen und kann eine Einrichtung aufweisen, um einen Informationsgehalt aus dem Impedanzzustand bzw. Zuständen zu bestimmen. In einer weiteren Ausführungsform umfasst das System eine Einrichtung, um einen gewünschten Impedanzzustand bzw. Zustände für Information zu bestimmen, die zu speichern ist, und umfasst eine Einrichtung zum Programmieren (Schreiben) dieser Information in mindestens eine Speicherzelle, indem der bzw. die die gewünschten Impedanzzustände in mindestens eine Speicherzelle programmiert (geschrieben) werden.
  • Die Widerstandssteuerungseigenschaften der vorliegenden Erfindung sind in einer beliebigen Einrichtung, in der ein Speicher erforderlich ist, vorteilhaft. Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung verwendet werden in Computern, Geräten, Industrieanlagen, tragbaren Einrichtungen, Telekommunikationsanlagen, medizinischen Anlagen, Forschungs- und Entwicklungsanlagen, Transportfahrzeugen, Radar/Satelliteneinrichtungen, und dergleichen. Tragbare Handgeräte und insbesondere elektronische Handgeräte erhalten Verbesserungen hinsichtlich ihrer Transportfähigkeit auf Grund der geringen Größe und des geringen Gewichts von Mehrbit-Speicherbauelementen, die durch die vorliegende Erfindung ermöglicht werden. Zu Beispielen von Handgeräten gehören Mobiltelefone und andere Zweiwege-Kommunikationseinrichtungen, persönliche Datenassistenten, Palm-Geräte, Rufbenachrichtigungsgeräte, Notebook-Computer, Fernsteuerungen, Rekorder (Video und Audio), Funkgeräte, kleine Fernsehgeräte und Internetgeräte, Kameras, und dergleichen.
  • Angesichts der vorhergehenden strukturellen und funktionellen Merkmale, wie sie oben beschrieben sind, können Verfahrensabläufe gemäß diversen Aspekten der vorliegenden Erfindung besser mit Bezug zu 12 verstanden werden. Obwohl zum Zwecke der einfachen Erläuterung der Verfahrensablauf aus 12 so beschrieben und dargestellt ist, dass dieser der Reihe nach ausgeführt wird, sollte beachtet werden, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die spezielle Reihenfolge beschränkt ist, da gewisse Aspekte erfindungsgemäß auch in anderen Reihenfolgen und/oder gleichzeitig mit anderen Aspekten auftreten können, anders als dies hierin gezeigt und beschrieben ist. Ferner sind nicht alle dargestellten Merkmale erforderlich, um ein Verfahrensablauf gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zu verwirklichen.
  • 12 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 1200 zum Steuern eines Speicherbauelements gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 1200 kann eingesetzt werden, um eine Speichereinrichtung zu betreiben, die einen Widerstand zum Speichern von Speicherzuständen verwendet. Die Funktion des Bauelements umfasst das Auslesen und Schreiben von Information aus und in eine Speichereinrichtung. Es ist zu beachten, dass das Verfahren 1200 an Speicherbauelementen und Arrays aus Speicherbauelementen innerhalb einer Speichereinrichtung betrieben werden kann.
  • Das Verfahren 1200 beginnt bei 1202, wobei eine Bestimmung durchgeführt wird, ob eine Löschoperation oder eine Schreib-(Programmier-)Operation auszuführen ist. Wenn eine Schreiboperation bei 1202 erkannt wird, wird ein gewünschter Impedanzzustand bei 1204 bestimmt. Der Impedanzzustand entspricht einem gewünschten Zustandswert und/oder einem gewünschten Informationsinhalt für das entsprechende Bauelement(e) (beispielsweise 0, 1, 11, 10, und dergleichen). Der gewünschte Zustand ist einer von mehreren verfügbaren Referenzzuständen oder Impedanzpegeln für das Bauelement, wobei die verfügbaren Referenzzustände unterschiedliche Informationsinhalte angeben. Es wird ein Konstantstrompegel, der für den gewünschten Impedanzpegel geeignet ist, an die Speicherzelle 202 angelegt. Es wird dann eine Vorspannung an das Bauelement im Schritt 1208 angelegt, um den gewünschten Zustand zu schreiben. Das Verfahren 1200 kehrt dann zu 1202 zurück, in welchem die nachfolgende Operation bestimmt wird.
  • Wie zuvor erläutert ist, wird der gewünschte Informationsgehalt typischerweise in der Speichereinrichtung in adressierbaren Speicherstellen (beispielsweise Zellen) in einer spezifizierten Anzahl an Bytes gespeichert. Anders als in konventionellen Speichereinrichtungen können jedoch mehr als 1 Bit an Information aus einer einzelnen Mehrbit-Speichereinrichtung ausgelesen werden.
  • Zu beachten ist, dass die obige Beschreibung des Verfahrens 1200 in gewisser Weise vereinfacht ist, um das Verständnis der vorliegenden Erfindung zu erleichtern. Beispielsweise wird auf Bauelemente der Speichereinrichtung zugegriffen, indem ein Adressierschema verwendet wird, um damit Speicherstellen zu löschen oder diese zu beschreiben. Des weiteren können Speicherbauelemente ausgelesen werden (beispielsweise in einem Voreinstellungszustand versetzt werden), indem ein geeigneter eingeprägter Strom in dem leitenden Einstellmedium der Speichereinrichtung erzeugt wird und indem der entsprechende Impedanzwert bestimmt wird. Der Voreinstellungswert einer Speicherzelle ist im Allgemeinen ein sehr gut leitender oder ein sehr schlecht leitender Impedanzzustand.
  • Es wurden ein oder mehrere Aspekte der vorliegenden Erfindung beschrieben. Es ist natürlich nicht möglicht, jede mögliche Kombination aus Komponenten und Verfahrensabläufe zum Zwecke des Beschreibens der vorliegenden Erfindung darzulegen, aber der Fachmann erkennt, dass viele weitere Kombinationen und Möglichkeiten der vorliegenden Erfindung möglich sind. Folglich soll die vorliegende Erfindung alle derartigen Änderungen, Modifizierungen und Variationen umfassen, die innerhalb des Grundgedankens und Schutzbereichs der angefügten Patentansprüche liegen. Obwohl ein spezielles Merkmal der Erfindung unter Umständen in Bezug auf lediglich eine von mehreren Ausführungsformen beschrieben ist, kann ein derartiges Merkmal auch mit einem oder mehreren anderen Merkmalen der anderen Ausführungsformen kombiniert werden, wie dies wünschenswert und vorteilhaft ist für eine gegebene oder spezielle Anwendung. In dem Maße, wie der Begriff „enthält" in der Beschreibung oder den Patentansprüchen verwendet ist, soll dieser Begriff „einschließend" sein in einem Sinne ähnlich zu dem Wort „mit oder umfassend".
  • Zusammenfassung
  • Es werden Systeme und Verfahren bereitgestellt, wobei mindestens eine Konstantstromquelle (114, 404) zur Programmierung einer organischen Speicherzelle (102, 302, 402, 904, 1102, 1206) eingesetzt wird und/oder wobei mindestens eine Konstantspannungsquelle (112, 304) zum Löschen einer Speichereinrichtung (200, 300, 400, 900, 1100) verwendet wird. Die vorliegende Erfindung wird in Bauelementen mit einzelnen Speicherzellen und in Speicherzellenarrays (100) angewendet. Das Verwenden einer Konstantstromquelle (114, 404) verhindert Stromspitzen während des Programmierens und ermöglicht eine genaue Steuerung des Zustands einer Speicherzelle (102, 302, 402, 904, 1102, 1206) während der Schreibzyklen, unabhängig von dem Widerstand der Zelle. Das Verwenden einer Konstantspannungsquelle (112, 304) ergibt eine stabile Last für die Speicherzellen (102, 302, 402, 904, 1102, 1206) während der Löschzyklen und ermöglicht eine genaue Spannungssteuerung an der Speicherzelle (102, 302, 402, 904, 1102, 1206) trotz der großen dynamischen Änderungen im Zellenwiderstand während des Prozesses.

Claims (10)

  1. System zur Unterstützung von Speicherbauelementen (200, 300, 400, 900, 1100) mit: einer Speichereinrichtung (200, 300, 400, 900, 1100) mit variablen Widerstandseigenschaften; und einer Impedanzsteuerungskomponente, die eine Stabilisierung mindestens eines Parameters der Speichereinrichtung (200, 300, 400, 900, 1100) während der Speicheroperationen ermöglicht.
  2. System nach Anspruch 1, wobei der Parameter einen Speicherzustandswiderstandspegel der Speichereinrichtung (200, 300, 400, 900, 1100) umfasst.
  3. System nach Anspruch 2, wobei die Impedanzsteuerkomponente eine strombegrenzende Komponente aufweist, wobei die elektrische Widerstandseigenschaft einen Widerstand der Speichereinrichtung (200, 300, 400, 900, 1100) umfasst und wobei die Speicheroperation einen Programmierzyklus umfasst.
  4. System nach Anspruch 3, wobei die strombegrenzende Komponente ein Metall-Oxid-Halbleiter (MOS) Bauelement aufweist, das elektrisch mit einem Speicherbauelement (200, 300, 400, 900, 1100) in Reihe liegt.
  5. System nach Anspruch 3, wobei die strombegrenzende Komponente eine Komponente umfasst, die das Programmieren eines Widerstands durch einen begrenzenden Strom an einem Punkt ermöglicht, an dem ein Spannungspegel einen gewünschten Zustand erreicht, der mit einem gewünschten Widerstandspegel in Beziehung steht.
  6. System nach Anspruch 2, wobei die Impedanzsteuerkomponente eine Konstantstromquellenkomponente (114, 404) aufweist, wobei die elektrische Eigenschaft den Widerstand der Speichereinrichtung (200, 300, 400, 900, 1100) umfasst, und wobei die Speicheroperation einen Programmierzyklus umfasst.
  7. System nach Anspruch 1, wobei die Impedanzsteuerkomponente eine Konstantspannungsquellenkomponente (112, 304) aufweist, wobei die elektrische Eigenschaft den Widerstand der Speichereinrichtung (200, 300, 400, 900, 1100) aufweist und wobei die Speicheroperation einen Löschzyklus umfasst.
  8. Verfahren zum Steuern eines Speicherbauelements (200, 300, 400, 900, 1100) mit: Schalten einer Konstantstromquelle (114, 404) elektrisch in Reihe mit einer Speicherzelle (102, 302, 402, 904, 1102, 1206); und Anlegen einer ersten Spannung an die Speicherzelle (102, 302, 402, 904, 1102, 1206), um einen Impedanzzustand der Speicherzelle (102, 302, 402, 904, 1102, 1206) einzustellen, wobei der Impedanzzustand eine Information repräsentiert. Verfahren nach Anspruch 8, das ferner umfasst: Anlegen einer zweiten Spannung an die Speicherzelle (102, 302, 402, 904, 1102, 1206), um einen Impedanzzustand der Speicherzelle (102, 302, 402, 904, 1102, 1206) zu bestimmen, wobei der Impedanzzustand einen Informationsinhalt repräsentiert.
  9. Verfahren zum Steuern eines Speicherbauelements (200, 300, 400, 900, 1100) mit: Schalten einer Konstantspannungsquelle (112, 304) elektrisch parallel zu einer Speicherzelle (102, 302, 402, 904, 1102, 1206), wobei die Konstantspannungsquelle (112, 304) einen Spannungspegel aufweist, der ausreichend ist, um die Speicherzelle (102, 302, 402, 904, 1102, 1206) zu löschen.
  10. System zur Unterstützung von Speicherbauelementen (200, 300, 400, 900, 1100) mit: einer Einrichtung zur Bereitstellung einer Konstantstromquelle (114, 404) während des Programmierens einer Speicherzelle (102, 302, 402, 904, 1102, 1206); und einer Einrichtung zum Bereistellen einer Konstantspannungsquelle (112, 304) während des Löschens der Speicherzelle (102, 302, 402, 904, 1102, 1206).
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