JP2013541123A - Method and apparatus for determining the state of a phase change memory cell - Google Patents

Method and apparatus for determining the state of a phase change memory cell Download PDF

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Abstract

【課題】相変化メモリ・セルの状態を判定するための方法および装置を提供する。
【解決手段】セルに対し複数の測定が行われ、その測定値はセルの閾値以下の電流−対−電圧特性に依存する。測定値が処理されて、閾値以下の電流−対−電圧特性の勾配に依存するメトリックが得られる。次いで、このメトリックに基づいてセルの状態が判定され、該メトリックは、セルの絶対抵抗値と違ってほとんどドリフトの影響を受けない。
【選択図】図1
A method and apparatus for determining the state of a phase change memory cell.
A plurality of measurements are made on a cell, and the measured value depends on current-to-voltage characteristics below the cell threshold. The measurement is processed to obtain a metric that depends on the slope of the current-to-voltage characteristic below the threshold. The state of the cell is then determined based on this metric, which is hardly affected by drift unlike the absolute resistance of the cell.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、一般に相変化メモリに関し、さらに具体的には相変化メモリ・セルの状態を判定するための方法および装置に関する。   The present invention relates generally to phase change memory, and more particularly to a method and apparatus for determining the state of a phase change memory cell.

相変化メモリ(PCM:phase−change memory)は、特定のカルコゲニド材料の、異なった導電率を持つ少なくとも2つの状態の間での可逆的切り替えを利用した、新規の不揮発性固体メモリ技術である。PCMは高速で、非常に良好な保持力および持久力特性を有し、将来のリソグラフィ・ノードをスケールすると見られている。これらの理由から、今日の主流のメモリおよびストレージ・アプリケーション中のフラッシュ・メモリを代替もしくは補完する潜在力を有すると考えられている。   Phase-change memory (PCM) is a novel non-volatile solid-state memory technology that utilizes reversible switching between at least two states of a particular chalcogenide material with different electrical conductivities. PCM is fast, has very good retention and endurance characteristics, and is expected to scale future lithography nodes. For these reasons, it is believed to have the potential to replace or complement flash memory in today's mainstream memory and storage applications.

市販のPCMデバイスでは、その基本ストレージ・ユニット(セル)は、加熱によって、結晶およびアモルファスの2つの状態のうちの一つに設定することができる。バイナリ0を表すアモルファス状態では、セルの電気抵抗は高い。その結晶化点を上回る温度に加熱しその後冷却すると、該カルコゲニド材料は導電性の結晶状態に変換される。この低抵抗状態は、バイナリ1を表す。その後、セルがこのカルコゲニドの融点を上回る高温に加熱されると、カルコゲニド材料は、急速な冷却によってそのアモルファス状態に戻る。PCMセルにデータを書き込むため、セルに電圧または電流パルスを印加してカルコゲニド材料を適切な温度に加熱し、冷却後に所望のセル状態に誘導する。セルを読み取るため、メトリックとしてセルの抵抗を用いてセルの状態が判定される。セル抵抗は、セルに特定の定電圧レベルでバイアスをかけ、セルを通って流れる電流を測定することか、あるいは一定の電流を流しセルの両端に発生する電圧を測定することによって測定される。この測定は、セルの電流−対−電圧特性の閾値以下の領域、すなわち、切り替わり閾値電圧(すなわち、カルコゲニドが導電性の「ON」状態となり、電流がセルを流れ、ジュール熱を介してセルを加熱することが可能となり、これにより相変化を誘導する可能性のある電圧)より下の領域で行われる。この閾値以下のレジームにおいては、セル状態に影響を与えることなく、バイナリ0を表す高抵抗測定値、およびバイナリ1を表す低抵抗測定値をセルから読み取ることができる。   In commercially available PCM devices, the basic storage unit (cell) can be set to one of two states, crystalline and amorphous, by heating. In the amorphous state representing binary 0, the electrical resistance of the cell is high. When heated to a temperature above its crystallization point and then cooled, the chalcogenide material is converted to a conductive crystalline state. This low resistance state represents binary one. Thereafter, when the cell is heated to a temperature above the melting point of the chalcogenide, the chalcogenide material returns to its amorphous state by rapid cooling. To write data to the PCM cell, a voltage or current pulse is applied to the cell to heat the chalcogenide material to an appropriate temperature and after cooling to the desired cell state. In order to read the cell, the state of the cell is determined using the resistance of the cell as a metric. Cell resistance is measured by biasing the cell at a specific constant voltage level and measuring the current flowing through the cell, or by measuring the voltage generated across the cell by passing a constant current. This measurement is based on an area below the threshold of the current-to-voltage characteristic of the cell, i.e., the switching threshold voltage (i.e., the chalcogenide is in a conductive “ON” state, the current flows through the cell, and the cell flows via Joule heat. It is possible to heat and this is done in the region below the voltage (which can induce a phase change). In regimes below this threshold, high resistance measurements representing binary 0 and low resistance measurements representing binary 1 can be read from the cell without affecting the cell state.

PCMが主流になるために、PCMに求められる重要な要求事項は、コスト/ビット(cost/bit)比を、マルチレベル・セル(MLC:multilevel−cell)フラッシュ・メモリ技術と競争可能なレベルに低減できるMLC機能である。マルチレベル・メモリ・セルは、s>2であるsの異なった抵抗レベルに設定することができ、しかして、セル当たり複数のビットのストレージを可能にする。例えば、NORフラッシュ・メモリは、セル当たり4つのレベル、すなわち2ビットを格納できる。43nmプロセス技術を用い、単一フラッシュ・セル当たり4ビットのデータ(すなわち、16レベル)を格納できるMLC NANDフラッシュ・メモリ・チップが現在利用可能である。PCMセルでは、MLCオペレーションは、カルコゲニド・セルの部分的アモルファス状態を利用することによって実現されている。カルコゲニド材料内のアモルファス相の実効容積を変えることによって、異なるセル・レベルが設定される。これによりセル抵抗が変化する。市販のPCMチップは、現在、セル当たり1ビットを格納するだけだが、PCMチップでセル当たり4ビットのストレージが、既に実験的に実証されている。   As PCM becomes mainstream, an important requirement for PCM is to bring the cost / bit ratio to a level that is competitive with multilevel cell (MLC) flash memory technology. This is an MLC function that can be reduced. Multi-level memory cells can be set to s different resistance levels, where s> 2, thus allowing storage of multiple bits per cell. For example, a NOR flash memory can store four levels per cell, or 2 bits. MLC NAND flash memory chips are currently available that can store 4 bits of data (ie, 16 levels) per single flash cell using 43 nm process technology. In the PCM cell, MLC operation is realized by utilizing the partially amorphous state of the chalcogenide cell. By changing the effective volume of the amorphous phase within the chalcogenide material, different cell levels are set. As a result, the cell resistance changes. Commercial PCM chips currently only store 1 bit per cell, but 4-bit storage per cell with PCM chips has already been experimentally demonstrated.

PCMデバイスにおける一つの問題は、短期的抵抗ドリフトまたは構造緩和として知られ、多くの場合、単に「ドリフト」と呼ばれる物理現象である。この問題は、MLCデバイスで特に重要であり、PCMによる信頼性あるMLC機能に対する重大な技術上の障害を呈している。構造緩和は、相変化材料のアモルファス相における局部的原子再配列に起因すると考えられ、これら材料の導電性に影響を与える。具体的には、MLC PCM中のアモルファス状態または部分的アモルファス状態においてプログラムされたPCMセルの抵抗は時間とともに上昇シフトし、また温度にも影響される。このため、異なった時刻において測定されたセル抵抗は変動して観測され、時間の増加と共に増大する傾向をたどる。この抵抗シフトに寄与する事象は、本質上および発生時間上確率的であり、しかして予測し軽減するのが極めて困難である。抵抗のドリフトのため、異なるセル状態(活性容積内のアモルファス/結晶材料相の構成)に対応する異なった抵抗レベルが、ランダムなタイム・インスタンスにおいて相互にオーバーラップし、セル状態の判定にランダム誤差をもたらし得る。   One problem in PCM devices is known as short-term resistance drift or structural relaxation, often a physical phenomenon called simply “drift”. This problem is particularly important in MLC devices and presents a significant technical barrier to reliable MLC functionality with PCM. Structural relaxation is believed to be due to local atomic rearrangements in the amorphous phase of the phase change material and affects the conductivity of these materials. Specifically, the resistance of a PCM cell programmed in an amorphous or partially amorphous state in MLC PCM increases with time and is also affected by temperature. For this reason, the cell resistance measured at different times is observed to fluctuate and follow a tendency to increase with increasing time. The events contributing to this resistance shift are stochastic in nature and time of occurrence, and are therefore very difficult to predict and mitigate. Due to resistance drift, different resistance levels corresponding to different cell states (amorphous / crystalline material phase composition within the active volume) overlap each other at random time instances, resulting in random errors in cell state determination Can bring

この抵抗ドリフトの問題に取り組むため、いくつかの技法が提案されている。一つの技法は参照セルの使用を含み、これにより、メモリ・セルの集合体の特定の部分が、ドリフト軽減用途のため留保される。これら参照セルの各々は、特定のセル状態にプログラムされ、これらセルの抵抗は、他のセル(すなわち、実際のユーザ・データのストレージに使われるもの)に対する抵抗ドリフトの推量を得るため定期的間隔でモニタされる。次いで、ドリフトの影響のない抵抗レベルを得ることを目的として、ユーザ・セルの測定値から推量されたドリフトが除去される。かかる参照セルベースのドリフトの相殺の実効性は、同様のセルの状態は同様のドリフト特性を示すという前提に大きく依存している。しかしながら、(工程変動(これはセル寸法が小さいほど増大する)に起因する)有意なセル間のばらつき、および(主として材料ばらつきによる)セル内のパラメータの変動の不可避な存在によって、この前提の妥当性には疑問があり、不完全なドリフト相殺が生じることになる。   Several techniques have been proposed to address this resistance drift problem. One technique involves the use of reference cells, whereby certain portions of the collection of memory cells are reserved for drift mitigation applications. Each of these reference cells is programmed to a specific cell state, and the resistance of these cells is periodically spaced to obtain an estimate of the resistance drift relative to other cells (ie, those used for actual user data storage). Is monitored. The drift estimated from the user cell measurements is then removed in order to obtain a resistance level that is free from drift effects. The effectiveness of such reference cell-based drift cancellation largely depends on the assumption that similar cell states exhibit similar drift characteristics. However, the validity of this assumption is due to significant inter-cell variability (due to process variation (which increases with smaller cell dimensions)) and the inevitable presence of parameter variations within the cell (primarily due to material variability). There is a question of sex and incomplete drift cancellation will occur.

ドリフトを処理するための別の提案にドリフト加速がある。メモリ・セルのプログラミングの過程(またはその後で)セルは、ある時間の間、特定の(十分低い)温度でアニールされ、これにより、アレニウスの関係によってドリフトの影響を加速する。セル抵抗は、アニーリングの後は大きくドリフトしないものとの想定がされる。このアプローチの効果は、実験によって十分に証明されていない。さらに、相変化の現象は温度的に活性化されるので、セルのアニーリングは、セル状態の望ましくない擾乱をもたらし得る。   Another proposal for handling drift is drift acceleration. During (or after) the programming of the memory cell, the cell is annealed at a specific (sufficiently low) temperature for a period of time, thereby accelerating the effects of drift by the Arrhenius relationship. It is assumed that the cell resistance does not drift significantly after annealing. The effect of this approach has not been fully demonstrated by experiments. Furthermore, since the phenomenon of phase change is thermally activated, cell annealing can lead to undesirable disturbances in the cell state.

また、ドリフトに対処するための符号化技法も提案されている。この技法では、メモリ・セルは、個別にではなく、セルのブロック(符号ワード)としてプログラムされ、読み取られる。これらの符号ワード中に付加された冗長性は、ドリフトに影響されない符号ワードを提供し、復号においてエラーのない情報の取り出しをもたらすことを目的としている。ドリフト符号化は潜在的に有力な技法であり得るが、その効果性は、通常、使用符号の冗長性に対応する。高い冗長性は、実際のユーザ・データのストレージのため利用可能なメモリ容量を阻害する。通常、最小の冗長性だけが許容可能で、このことがドリフトに対処する符号の効果性を低下させ得る。   An encoding technique for dealing with drift has also been proposed. In this technique, memory cells are programmed and read as blocks of cells (codewords) rather than individually. The redundancy added in these codewords is intended to provide codewords that are not affected by drift and to provide error-free information retrieval in decoding. Drift coding can be a potentially powerful technique, but its effectiveness usually corresponds to the redundancy of the used code. High redundancy hinders the amount of memory available for actual user data storage. Usually, only minimal redundancy is acceptable, and this can reduce the effectiveness of the code to deal with drift.

本発明のある態様の一つの実施形態は、相変化メモリ・セルの状態を判定する方法を提供する。本方法は、
セルの閾値以下の電流−対−電圧特性に従って複数の測定を行うステップと、
その測定値を処理して、前記電流−対−電圧特性の勾配に依存するメトリックを得るステップと、
前記メトリックに基づいてセルの状態を判定するステップと、
を含む。
One embodiment of an aspect of the invention provides a method for determining the state of a phase change memory cell. This method
Performing a plurality of measurements according to a current-to-voltage characteristic below a threshold of the cell;
Processing the measurement to obtain a metric dependent on a slope of the current-to-voltage characteristic;
Determining a state of a cell based on the metric;
including.

本発明の諸実施形態において、セルの閾値以下の電流−対−電圧(I/V)特性の勾配、すなわち、切り替え閾値電圧より下のI/V特性カーブの勾配に依存するメトリックが用いられる。閾値以下のI/V特性の勾配は、抵抗の微分、すなわち抵抗の導関数に従うが、絶対抵抗値には一切左右されない。前述のように、セルの抵抗は時間とともに大きく変化するが、閾値以下のレジームにおけるI/V特性の勾配は、時間が経過してもほとんど変化しない。これは、閾値以下のI/V勾配が、セル内のアモルファス相の実効容積の関数であることによる。しかして、実効アモルファス容積はセル状態の良好な指標であり、ドリフトがアモルファス相のジオメトリに影響しないことが知られているので(ドリフトは、アモルファス相内の欠陥対消滅に起因し、全体的アモルファス容積には影響しないと推測されている)特にドリフトの影響を受けにくい指標である。   In embodiments of the present invention, a metric is used that depends on the slope of the current-to-voltage (I / V) characteristic below the threshold of the cell, ie, the slope of the I / V characteristic curve below the switching threshold voltage. The slope of the I / V characteristic below the threshold follows the resistance differentiation, that is, the derivative of the resistance, but does not depend on the absolute resistance value at all. As described above, the cell resistance changes greatly with time, but the slope of the I / V characteristic in the regime below the threshold value hardly changes over time. This is because the I / V gradient below the threshold is a function of the effective volume of the amorphous phase in the cell. Thus, the effective amorphous volume is a good indicator of cell state, and it is known that drift does not affect the geometry of the amorphous phase (drift is due to defect pair annihilation in the amorphous phase and It is estimated that it does not affect the volume).

本発明を具現する方法は、実質上ドリフトに不変のセル状態メトリックを得るため、閾値以下のI/V勾配を利用する。具体的には、本発明の諸実施形態において使われるメトリックは、ドリフトによる影響をほとんど受けない。すなわち、不可避のノイズ変動は別として、時間経過に対してほぼ不変である。閾値以下のI/V勾配は、セル内の実効アモルファス容積の関数であり、しかしてセル状態の指標なので、当然、前述のメトリックもセル状態の特性であり、しかしてMLC PCM中の相異なる状態の間の判別をするため使えることになる。この論述の妥当性、およびセル状態の指標としてのこのメトリックの効率は、実際のPCMセルのアレイに対する実験結果で実証されており、これについては後記でさらに説明する。しかして、本発明の諸実施形態は、前述のメトリックの使用を介し、取り出された情報がドリフトに耐性があるような仕方で、PCMセルの状態を判定する方法を提供する。本発明の諸実施形態による方法は、ドリフト自体の特質に関するいかなる仮定も立てないことが可能で、ユーザ・ストレージ容量の内在ロスをもたらさないようにすることができる。しかして、本発明の諸実施形態は、PCMアレイに対するセル状態判定の改良を提供することができ、PCMデバイスの向上されたMLC機能と効率的な動作とを全般的に推進する。   The method embodying the present invention utilizes a sub-threshold I / V slope to obtain a cell state metric that is substantially drift-invariant. Specifically, the metrics used in embodiments of the present invention are almost unaffected by drift. That is, apart from inevitable noise fluctuations, it is almost unchanged over time. The sub-threshold I / V gradient is a function of the effective amorphous volume in the cell and is therefore an indicator of cell state, so of course the above metric is also a characteristic of the cell state and thus different states in the MLC PCM. It can be used to distinguish between. The validity of this discussion, and the efficiency of this metric as an indicator of cell state, has been demonstrated in experimental results for an array of actual PCM cells, which will be further explained below. Thus, embodiments of the present invention provide a method for determining the state of a PCM cell in such a way that the retrieved information is resistant to drift through the use of the aforementioned metrics. Methods according to embodiments of the present invention may not make any assumptions about the nature of the drift itself and may not result in an inherent loss of user storage capacity. Thus, embodiments of the present invention can provide improved cell state determination for PCM arrays, which generally promotes improved MLC functionality and efficient operation of PCM devices.

前述のメトリックは、閾値以下のI/V特性の勾配に、その勾配に応じてさまざまな方法で、直接的または間接的に依存させることができる。ポイントは、本メトリックが何らかの形で閾値以下のI/V勾配に関連付けられており、従って、セルの絶対抵抗値に直接的に依存していないことであって、この後者は、前述したようにドリフトに影響される。言い換えれば、本発明の諸実施形態によれば、セルの絶対抵抗値に左右されないまたはほぼ左右されないメトリックに基づいて、PCMセル状態を判定することができる。本発明の諸実施形態によれば、このメトリックを導出するために、セル上で少なくとも2つの測定が行われ、これらの測定値は(直接的または間接的に)閾値以下のI/V勾配に依存している。後記でさらに説明するように、平均を可能にして精度を向上させるために、2を上回る測定を行うことができる。次いで、得られた測定値をさまざまな方法で処理し、セル状態を評価するため用いる最終的なメトリックを得ることができる。例えば、いくつかの実施形態では、相異なるセル・バイアス電圧におけるセル電流の複数の測定を行うステップを含み、メトリックが、相異なるバイアス電圧において測定されたセル電流の関数の差に依存するようにすることができる。同様に、相異なる印加セル電流に対する、セルの両端間の電圧を測定し、メトリックが、測定されたセル電圧の関数の差に依存するようにすることもできる。あるいは、例えば、閾値以下のI/Vカーブ上の異なった点でセル抵抗の複数の測定を行って、メトリックが、前記異なった点において測定されたセル抵抗の関数の差に依存するようにすることもできる。これらの例において、対象となる測定値の特定の関数は、測定値それ自体ともできようし、例えば対数など、当該値のいくらか複雑な関数とすることもできよう。   The aforementioned metrics can be directly or indirectly dependent on the slope of the I / V characteristic below the threshold in various ways depending on the slope. The point is that this metric is in some way associated with a sub-threshold I / V slope and is therefore not directly dependent on the absolute resistance of the cell, as Influenced by drift. In other words, according to embodiments of the present invention, the PCM cell state can be determined based on a metric that is not or substantially independent of the absolute resistance of the cell. In accordance with embodiments of the present invention, at least two measurements are made on the cell to derive this metric, and these measurements are (directly or indirectly) below a threshold I / V slope. It depends. As will be explained further below, more than 2 measurements can be made to enable averaging and improve accuracy. The obtained measurements can then be processed in various ways to obtain the final metric used to evaluate the cell state. For example, some embodiments include making multiple measurements of cell current at different cell bias voltages such that the metric depends on a difference in function of the cell current measured at different bias voltages. can do. Similarly, the voltage across the cell for different applied cell currents can be measured so that the metric depends on the difference in the function of the measured cell voltage. Alternatively, for example, multiple measurements of cell resistance are made at different points on the I / V curve below the threshold so that the metric depends on the difference in the cell resistance function measured at the different points. You can also In these examples, the specific function of the measurement value of interest may be the measurement value itself, or it may be a somewhat complex function of the value, such as logarithm.

また、メトリックからセル状態を判定する具体的な方法は、相異なる実施形態によって変わり得る。このステップの詳細は、セルの型(レベルの数)、メトリック自体の精密な形、および、基本的なメトリック導出方法に加えて用いられることのある何らかの技法、例えば読み取り精度をさらに向上させるための何らかの追加的補正技法など、の如何よって決まることになろう。好適な諸実施形態において、セル状態は、導出されたメトリックを(さらなる処理をして、または処理なしに)異なるセル状態を示す一つ以上の参照値と単に比較することによって判定することができる。本発明の諸実施形態は、2レベルのPCMセルに適用することも可能であるが、MLCデバイスではドリフトの問題がより大きいので、マルチレベル・セルへの適用には特に利点がある。マルチレベル・セル(すなわちs>2であるsレベルのセル)の状態を判定するのに適用された場合、好適な方法には、導出されたメトリックを、セルのsレベルを示す複数の参照値と比較することによってセルの状態を判定するステップを含めることができる。かかる参照値は、例えば、異なったリードバック・レベルをマップする測定値範囲に対する境界を定義する所定の閾値に関連させるなど、さまざまな仕方でセルのレベルを定義することができる。   Also, the specific method for determining the cell state from the metric may vary depending on different embodiments. The details of this step can be found in the cell type (number of levels), the precise shape of the metric itself, and any techniques that may be used in addition to the basic metric derivation method, for example to further improve reading accuracy. It will depend on some additional correction technique and so on. In preferred embodiments, the cell state can be determined by simply comparing the derived metric (with or without further processing) to one or more reference values indicative of different cell states. . Embodiments of the present invention can also be applied to two-level PCM cells, but are particularly advantageous for multi-level cell applications because of the greater drift problem with MLC devices. When applied to determine the state of a multi-level cell (ie, an s-level cell where s> 2), the preferred method includes a derived metric with multiple reference values indicating the s-level of the cell. Determining the state of the cell by comparing to. Such a reference value can define the level of the cell in various ways, for example, associated with a predetermined threshold that defines a boundary for a measurement range that maps different readback levels.

本発明の第二態様のある実施形態は、相変化メモリ・セルの状態を判定するための装置を提供する。本装置は、
セルの閾値以下の電流−対−電圧特性に従って複数の測定を行う測定回路と、
前記測定値を処理して、前記電流−対−電圧特性の勾配に依存するメトリックを得るためのコントローラであって、該コントローラは前記メトリックに基づいてセルの状態を判定するようになっている、コントローラと、
を含む。
An embodiment of the second aspect of the invention provides an apparatus for determining the state of a phase change memory cell. This device
A measurement circuit that performs multiple measurements according to current-to-voltage characteristics below the threshold of the cell;
A controller for processing the measured values to obtain a metric dependent on a slope of the current-to-voltage characteristic, the controller determining a state of the cell based on the metric; A controller,
including.

本発明のさらなる実施形態によれば、PCMセル状態は、セルの絶対抵抗値に左右されないまたはほぼ左右されないメトリックに基づいて判定される。   According to a further embodiment of the present invention, the PCM cell state is determined based on a metric that is not or substantially independent of the absolute resistance value of the cell.

本発明の第三態様のある実施形態は、
複数の相変化メモリ・セルを含むメモリと、
該複数の相変化メモリ・セルからデータを読み取りおよびこれらに書き込むための読み取り/書き込み装置と、
を含む相変化メモリ・デバイスを提供し、
該読み取り/書き込み装置は、本発明の第二態様による、前記メモリ・セルの状態を判定するための装置を包含する。
An embodiment of the third aspect of the present invention is:
A memory including a plurality of phase change memory cells;
A read / write device for reading and writing data from the plurality of phase change memory cells;
A phase change memory device including
The read / write device includes a device for determining the state of the memory cell according to the second aspect of the invention.

一般に本明細書では、本発明を具現する方法に関連させて諸機能を説明しているが、対応する機能を本発明を具現する装置またはデバイス中に備えることができ、その逆も可能である。   In general, although the present specification describes various functions in relation to a method embodying the present invention, the corresponding function can be provided in an apparatus or device embodying the present invention, and vice versa. .

例として、本発明の好適な諸実施形態を、添付の図面を参照しながら以下に説明する。   By way of example, preferred embodiments of the present invention are described below with reference to the accompanying drawings.

本発明を具現する相変化メモリ・デバイスの概略ブロック図である。1 is a schematic block diagram of a phase change memory device embodying the present invention. 8レベルのPCMセルに対する平均プログラミング・カーブを示す。The average programming curve for an 8-level PCM cell is shown. 異なった印加電圧におけるPCMセルの時間依存性を示す。The time dependence of the PCM cell at different applied voltages is shown. 図1のデバイスにおいてセル状態メトリックを生成するための差異メトリックの単純な計算回路を示す。Fig. 2 shows a simple calculation circuit of a difference metric for generating a cell state metric in the device of Fig. 1; 平均値除去処理後の図3の結果を示す。The result of FIG. 3 after an average value removal process is shown. 図6aは、平均値除去前の、図1のデバイスで使われた差異メトリックの時間依存性を示し、図6bは、平均値除去後の、図1のデバイスで使われた差異メトリックの時間依存性を示す。FIG. 6a shows the time dependence of the difference metric used in the device of FIG. 1 before removal of the mean value, and FIG. 6b shows the time dependence of the difference metric used in the device of FIG. 1 after removal of the mean value. Showing gender. セル抵抗の時間依存性を別のメトリックの時間依存性と比較した図である。It is the figure which compared the time dependence of cell resistance with the time dependence of another metric. 図8aは、図1のデバイスの測定回路のデジタル実装の動作を示し、図8bは図1のデバイスの測定回路のアナログ実装の動作を示す。FIG. 8a shows the operation of the digital implementation of the measurement circuit of the device of FIG. 1, and FIG. 8b shows the operation of the analog implementation of the measurement circuit of the device of FIG. 図1のデバイスの未処理抵抗メトリックと差異メトリックと使って、異なるレベルに対するセル状態測定値に対するドリフトの影響を比較した図である。FIG. 2 compares the effect of drift on cell state measurements for different levels using the raw resistance metric and the difference metric of the device of FIG. 平均差異メトリックが、格納されたセル・レベルに沿ってどのように変化するかを示す。It shows how the average difference metric varies along the stored cell level. セルの実効アモルファス厚さを表したPCMセルの概略図である。It is the schematic of the PCM cell showing the effective amorphous thickness of the cell.

図1は、本発明を具現する相変化メモリ・デバイスの簡易概略図である。デバイス1は、マルチレベルPCMセルの一つ以上の集積アレイにデータを格納するための相変化メモリ2を含む。図では単一ブロックとして示されているが、一般に、メモリ2には、例えば、単一のチップまたはダイから、それぞれがストレージ・チップの複数のパッケージを包含する複数のストレージ・バンクに亘る、PCMストレージ・ユニットの任意の所望の構成を含めることができる。メモリ2に対するデータの読み取りおよび書き込みは、読み取り/書き込み装置3によって行われる。装置3は、データをPCMセルに書き込み、セルの測定を行ってセル状態を判定しこれにより格納されたデータのリードバックを可能にするための、データ書き込みおよび読み取り測定回路4を含む。回路4は、書き込みおよび読み取りのため、メモリ集合体2のワードおよびビット・ラインのアレイに適切な電圧を印加することによって、個別のPCMセルのアドレスを指定することができる。この処理は、後記で詳述するものを除き、一般に周知の仕方で遂行される。読み取り/書き込みコントローラ5は、装置3のオペレーションを全般的に制御し、後記でさらに詳しく説明するように、読み取り測定値からセル状態メトリックを導出し、このメトリックをセル状態の判定、すなわちレベル検出に用いるための機能を含む。通例、コントローラ5の機能は、ハードウェアもしくはソフトウェアまたはその組み合わせに実装が可能であるが、一般的には、動作速度の点から配線接続されたロジック回路が望ましい。当業者には、本明細書の説明から適切な実装は自明であろう。図中のブロック6によって示されるように、デバイス1に入力されたユーザ・データには、書き込みデータとして読み取り/書き込み装置3に供される前に、通常、エラー修正のための符号化など、何らかの形の書き込み処理がされる。同様に、装置3によって出力されたリードバック・データには、一般に、元の入力ユーザ・データを復元するため、例えば符号ワードの検出およびエラー修正動作の実施など、読み取り処理モジュール7による処理が行われる。モジュール6および7によるかかる処理は、記載のセル状態メトリック・システムとは関係がなく、本明細書で詳しく説明する必要はない。   FIG. 1 is a simplified schematic diagram of a phase change memory device embodying the present invention. Device 1 includes a phase change memory 2 for storing data in one or more integrated arrays of multilevel PCM cells. Although shown as a single block in the figure, in general, the memory 2 includes, for example, a PCM that spans multiple storage banks, each containing multiple packages of storage chips, eg, from a single chip or die. Any desired configuration of storage units can be included. Reading and writing of data with respect to the memory 2 is performed by the reading / writing device 3. The device 3 includes a data write and read measurement circuit 4 for writing data to the PCM cell, measuring the cell to determine the cell state and thereby enabling readback of the stored data. Circuit 4 can address the address of individual PCM cells by applying appropriate voltages to the word and bit line array of memory assembly 2 for writing and reading. This process is performed in a generally known manner, except as described in detail below. The read / write controller 5 generally controls the operation of the device 3 and derives a cell state metric from the read measurement, as will be described in more detail below, and this metric is used for cell state determination, ie level detection. Includes features for use. In general, the function of the controller 5 can be implemented in hardware, software, or a combination thereof. In general, a logic circuit that is wired and connected is desirable from the viewpoint of operation speed. Appropriate implementations will be apparent to those skilled in the art from the description herein. As indicated by block 6 in the figure, the user data input to the device 1 is usually subjected to some kind of encoding, such as encoding for error correction, before being provided to the read / write device 3 as write data. The shape is written. Similarly, the readback data output by the device 3 is generally processed by the read processing module 7 to recover the original input user data, for example, code word detection and error correction operations. Is called. Such processing by modules 6 and 7 has nothing to do with the described cell state metric system and need not be described in detail herein.

メモリ2中のマルチレベル・セルの各々は、セルの相異なるアモルファス/結晶状態に対応する、s>2であるsの所定抵抗レベルの一つに設定することができる。これら相異なるレベルを区画する抵抗値は、通常、典型的には対数ドメインに位置させるなど、不等に間隔取りされる。s=8の特定の例においては、各セルは8レベルを格納し、セル当たり3ビットの格納を提供することができる。回路4は、所与のセルにデータを書き込むため、電圧パルスを印加してそのセルを適切な抵抗レベルに対応する状態に設定する。図2は、セル抵抗が、PCMセルに対する印加電圧によってどのように変化するかを表す。この図は、印加電圧パルスの振幅Vgを増大させて得られた(平均)セル抵抗Rの対数として、60個の8レベルPCMセルに対する平均プログラミング・カーブを示す。8つの所定抵抗レベルR0〜R7が、図中の横線によって示されている。このプログラミング・カーブの左側(Vg=1.5ボルトの垂直点線の左)は、プログラムされる抵抗が、0ボルトからの電圧の上昇と共に、初めのうちどのように低下するかを明示している。これは、セルのカルコゲニド材料中の結晶化の増加に起因する。Vg=1.5ボルトは、ここが最大の結晶化の状態に対応している。その後は、電圧の増大と共に溶融が増加し、セル内のアモルファス相のより大きな実効容積がもたらされる。これは、図中の垂直点線の右に示された右側のプログラミング・カーブに沿って、プログラムされる抵抗の増大をもたらす。従来式のやり方によれば、データは、図2のカーブの右側のプログラミング勾配上にセルをプログラミングすることによって、図1のセルに書き込まれる。   Each of the multi-level cells in memory 2 can be set to one of the predetermined resistance levels of s, where s> 2, corresponding to the different amorphous / crystalline states of the cell. The resistance values that partition these different levels are usually spaced unequal, typically located in the log domain. In the particular example of s = 8, each cell stores 8 levels and can provide 3 bits of storage per cell. Circuit 4 applies a voltage pulse to set the cell to a state corresponding to the appropriate resistance level in order to write data to a given cell. FIG. 2 shows how the cell resistance varies with the voltage applied to the PCM cell. This figure shows the average programming curve for 60 8-level PCM cells as a logarithm of (average) cell resistance R obtained by increasing the amplitude Vg of the applied voltage pulse. Eight predetermined resistance levels R0 to R7 are indicated by horizontal lines in the figure. The left side of this programming curve (left of the vertical dotted line at Vg = 1.5 volts) demonstrates how the programmed resistance initially decreases with increasing voltage from 0 volts. . This is due to the increased crystallization in the chalcogenide material of the cell. Vg = 1.5 volts corresponds to the maximum crystallization state. Thereafter, melting increases with increasing voltage, resulting in a larger effective volume of amorphous phase in the cell. This results in an increase in the programmed resistance along the right programming curve shown to the right of the vertical dotted line in the figure. According to conventional practice, data is written to the cell of FIG. 1 by programming the cell on the programming slope to the right of the curve of FIG.

メモリ・セルを読み取るステップには、セルの状態を判定する、すなわち、セルがR0〜R7の所定レベルのいずれに設定されているかを検出するステップを含む。従来式のデバイスでは、これは、セル抵抗の直接測定を行うことによって実施される。具体的には、所与の印加電圧に対するセル電流の測定が行われ、セル抵抗が計算されてセル状態のメトリックとして用いられ、それが所定のレベルと比較されセル状態が判定される。この測定は、測定がセル状態に影響しないように、セルの電流−対−電圧(I/V)特性の閾値以下の領域内で行われる。このI/V特性は、閾値以下の領域では強く非線形で、このため異なったバイアス電圧では異なった抵抗が測定されることになる。これは、図3の時間に対するlogRのプロットから明白であり、この図では、PCMセルの測定抵抗が印加電圧の増大と共に低減するのが示されている。また、この図は、抵抗測定値へのドリフトの影響を明瞭に示している。具体的には、アモルファス相の抵抗は、近似的に、式:R(t)=R(t/t、よってlog R(t)=logR+vlog(t/t)となり、これに従って時間と共に増加する。式中のvはドリフト指数であり、これはPCMセルの活性領域中のアモルファス相の容積に比例すると考えられている。このドリフト指数は、温度の上昇と共に増大することが明らかにされている。ドリフトは、非定常のノイズとして取り扱うことが可能な確率的現象であり、従って予測は非常に困難である。 Reading the memory cell includes determining the state of the cell, i.e., detecting which of the predetermined levels R0-R7 the cell is set to. In conventional devices, this is done by making a direct measurement of cell resistance. Specifically, the cell current is measured for a given applied voltage, the cell resistance is calculated and used as a cell state metric, which is compared to a predetermined level to determine the cell state. This measurement is performed in a region below the threshold value of the current-to-voltage (I / V) characteristic of the cell so that the measurement does not affect the cell state. This I / V characteristic is strongly non-linear in the region below the threshold, and therefore different resistances are measured at different bias voltages. This is evident from the plot of log R versus time in FIG. 3, which shows that the measured resistance of the PCM cell decreases with increasing applied voltage. This figure also clearly shows the effect of drift on the resistance measurement. Specifically, the resistance of the amorphous phase is approximately: R (t) = R 0 (t / t 0 ) v , and thus log R (t) = log R 0 + vlog (t / t 0 ) This increases with time. V in the equation is the drift index, which is believed to be proportional to the volume of the amorphous phase in the active region of the PCM cell. This drift index has been shown to increase with increasing temperature. Drift is a stochastic phenomenon that can be treated as non-stationary noise and is therefore very difficult to predict.

図1のデバイス1は、閾値以下のI/V特性の勾配に依存するメトリックを使う、セル状態の判定の方法を用いる。これは、セルの絶対抵抗値に左右されないメトリックを提供する。セルを読み取るため、読み取り測定回路4は、セルの閾値以下のI/V特性に従って複数の測定を行う。この例示的な実施形態において、ある特定のバイアス電圧Vにおけるセル抵抗Rの対数と異なった電圧Vにおける抵抗Rの対数と間の差として、閾値以下のI/V勾配に関する単純なメトリックが得られる。閾値以下のI/V勾配は、時間経過に対しほとんど一定なので、差異メトリックlogR−logRは同じ性質を有することになる。実際に、logRおよびlogRは大きく変動し、平均すると時間と共に増加することになるが、これらの変動は、これらの間の減算によってドリフトに起因するこれらに共通の成分が除去されるような仕方で密接に相関する。残余の成分は、ほとんどが無相関でドリフトによらないノイズおよび他の変動に起因するものである。このアプローチは、時間の関数としてのドリフトの特質についてはどのような特定の仮定もしていないことに留意されたい。(時間の関数とみられる)一切の任意のドリフト特性は効果的に除去することができる。 The device 1 of FIG. 1 uses a cell state determination method that uses a metric that depends on the slope of the I / V characteristic below a threshold. This provides a metric that is independent of the absolute resistance of the cell. In order to read a cell, the reading measurement circuit 4 performs a plurality of measurements according to an I / V characteristic that is equal to or less than the threshold value of the cell. In this exemplary embodiment, as the difference between the logarithmic resistor R 2 in the voltage V 2 different from the logarithm of the cell resistance R 1 at a particular bias voltage V 1, simple for the following I / V slope threshold A metric is obtained. Since the I / V slope below the threshold is almost constant over time, the difference metric logR 1 -logR 2 will have the same properties. In fact, logR 1 and logR 2 will fluctuate significantly and on average will increase with time, but these variations are such that subtraction between them removes their common components due to drift. Closely correlated in manner. The remaining components are mostly due to uncorrelated and drift-free noise and other fluctuations. Note that this approach makes no specific assumptions about the nature of drift as a function of time. Any arbitrary drift characteristic (which appears to be a function of time) can be effectively eliminated.

デバイス1の読み取りオペレーションにおいて、測定回路4は、第一(閾値以下の)電圧Vの印加に対しセルを通って流れる電流Iおよび、第二(閾値以下の)電圧Vの印加に対する電流Iを検出する。得られる抵抗測定値R=V/IおよびR=V/Iはコントローラ5に対し出力される。次いで、コントローラ5が差異メトリックlogR−logRを計算する。これは、図4に表したような簡単な差動増幅器回路を使って、コントローラ5中のデジタルもしくはアナログ・ドメインに実装することができる。得られたメトリックは抵抗の差に依存するので、該メトリックは、I/V特性の勾配に依存するが、一切の絶対抵抗(従って、絶対電流または電圧)値には依存しない。閾値以下のI/V勾配は、前述したように、セル内の実効アモルファス容積の関数であり、しかしてセル状態の指標である。従って、当然この差異メトリックもまたセル状態の特性ということになる。しかして、この差異メトリックを使って、上記で説明した理由によってほとんどドリフトの影響を受けることなく、相異なる格納レベルの間を区別することができる。以下の実験結果の説明によってこれを実証する。 In the read operation of device 1, the measurement circuit 4 determines that the current I 1 flowing through the cell for application of the first (sub-threshold) voltage V 1 and the current for application of the second (sub-threshold) voltage V 2. to detect the I 2. The resulting resistance measurements R 1 = V 1 / I 1 and R 2 = V 2 / I 2 are output to the controller 5. The controller 5 then calculates the difference metric logR 1 -logR 2 . This can be implemented in the digital or analog domain in the controller 5 using a simple differential amplifier circuit as represented in FIG. Since the resulting metric depends on the resistance difference, the metric depends on the slope of the I / V characteristic, but not on any absolute resistance (and hence absolute current or voltage) value. The I / V slope below the threshold is a function of the effective amorphous volume in the cell, as described above, and is therefore an indicator of cell status. Therefore, of course, this difference metric is also a cell state characteristic. Thus, this difference metric can be used to distinguish between different storage levels with little drift effect for the reasons described above. This is demonstrated by the following description of experimental results.

まず図3を再び参照すると、異なった電圧におけるlog(R(t))の測定値は、定数分だけが異なるように見えることが観察される。従って、材料の構造緩和(ドリフト)は、少なくとも(アニーリングのない)低電圧においては電圧に左右されないはずである。これらの測定値を説明するために次のモデルが用いられる。
r(t,V)=R+w(t)
式中のw(t)は時間のゼロ平均関数であり、RはVのみに依存し、r( )はlog(R( ))を表すのに用いられる。なおRは上述のセル抵抗R1、などを対数化して与ている。従って、
時間に対して取られた平均Eは、
E[r(t,V)]=R で与えられ、
これから、すべての(i)に対し、
r(t,V)−E[r(t,V)]=w(t)である。
これは、平均値除去後の図3の結果を示した図5によって裏付けられる。
ここで、異なった電圧V、Vで測定されたr(t)のペアの間の差DR(t,V)を考えれば、
DR(t,V)=r(t,V)−r(t,V)=R−Rであり、
これは(t)に左右されない、すなわち時間に対し一定である。従って、全てのDR(t,V)波形は、時間に対し一定となるはずである(勾配=0)。なお、この差異メトリックはドリフト特性に対するいかなる情報も前提としていない(すなわちw(t)は任意であり得る)。これらの予測は、図6aおよび図6bによって明瞭に裏付けられている。図6aは、異なった電圧ペアV、Vに対し、log時間に対し差異メトリックをプロットしたもので、図6bは、平均値除去(DR(t,V)−E[DR(t,V)])後の同じ結果を示している。
First, referring again to FIG. 3, it can be observed that the measured values of log (R (t)) at different voltages appear to differ only by a constant amount. Therefore, the structural relaxation (drift) of the material should not be voltage dependent, at least at low voltages (without annealing). The following model is used to explain these measurements.
r (t, V i ) = R i + w (t)
W (t) in the equation is a zero average function of time, R i depends only on V i , and r () is used to represent log (R ()). R i is given by logarithmizing the above-described cell resistances R 1, R 2 and the like. Therefore,
The average E taken against time is
E [r (t, V i )] = R i
From now on, for all (i)
r (t, V i ) −E [r (t, V i )] = w (t).
This is supported by FIG. 5, which shows the result of FIG. 3 after removal of the average value.
Here, given the difference DR (t, V i , k ) between r (t) pairs measured at different voltages V i , V k ,
DR (t, V i , k ) = r (t, V i ) −r (t, V k ) = R i −R k
This is independent of (t), i.e. constant over time. Therefore, all DR (t, V i , k ) waveforms should be constant over time (gradient = 0). Note that this difference metric does not assume any information about drift characteristics (ie, w (t) can be arbitrary). These predictions are clearly supported by FIGS. 6a and 6b. FIG. 6a is a plot of the difference metric versus log time for different voltage pairs V i , V k , and FIG. 6b shows the mean value removal (DR (t, V i , k ) −E [DR ( t, V i , k )]) shows the same result.

図7は、log時間の関数として、差異メトリックDと従来式の未処理抵抗測定値(logスケールによる絶対抵抗値)との間の直接的比較を示す。これらの実線は各トレースの結果への直線適合を示す。これは、差異メトリックが未処理メトリックよりも時間依存性が小さいことを最も明瞭に実証している。しかして、差異メトリックは、ほぼドリフト不変の指標であって、ドリフト特性の情報なしに(例えば、logR(t)がlog(t)に比例するかどうか、あるいは何らかの他のドリフト・モデルによるかどうかにかかわらず)機能する指標を提供することができる。   FIG. 7 shows a direct comparison between the difference metric D and the conventional raw resistance measurement (absolute resistance on the log scale) as a function of log time. These solid lines show a linear fit to the results of each trace. This most clearly demonstrates that the difference metric is less time dependent than the raw metric. Thus, the difference metric is a nearly drift-invariant indicator, and without drift characteristics information (eg, whether logR (t) is proportional to log (t) or due to some other drift model Can provide a functioning indicator).

上記では、単純なモデルを使ってこれら測定値を説明しているが、R−対−時間のべき乗則挙動(一般的ドリフトモデル)を想定した、相異なる電圧で測定されるR(t)のさらに洗練されたモデルを考えることもできる。標準的ドリフト・モデルによれば、
log[R(t)]=α(R)+vlogt:式中、R=R(0)であり、vはドリフト・べき乗指数であり、一般性を失うことなくt=1と仮定している。
洗練されたモデルを使えば、
log[R(t,V)]=α(R,V)+(v+w)logt
式中、平均E{w}=0であり、vはRレベルに依存し、w<<vであり、差異メトリックは、
log[R(t,V)]−log[R(t,V)]=[α(R,V)−α(R,V)]+(w−w)logtの形を取る。
角括弧内の第一項にはR(0)の測定値があり、|V−V|と共に増大する値を有する。第二項は時間の弱関数である(w<<v)。このとき、平均を取ることによって、メトリックの品質(時間不変性、ばらつき)を向上させることができる。
E{log[R(t,V)]−log[R(t,V)]}=E[α(R,V)−α(R,V)]
この値は時間依存性を示さない。この平均値は、多くの異なった電圧ペアV,Vから計算することができる。かかる平均処理は、図1のデバイス内に簡単な仕方で実装することができる。セル読み取りオペレーションの過程で、測定回路4は、いくつかの異なる印加ビット・ライン(BL:bit−line)電圧でセル電流を検出する。これは、デジタル回路実装に対するものが図8aに、アナログ回路実装に対するものが図8bに示されている。各電圧で得られた抵抗測定値(V/I)は、コントローラ5に供され、コントローラは、これら抵抗値の諸ペア間の差を計算し、その結果を平均して最終的な平均差異メトリックを得る。
In the above, a simple model is used to explain these measurements, but R (t) measured at different voltages, assuming R-versus-time power law behavior (general drift model). You can also think of a more sophisticated model. According to the standard drift model
log [R (t)] = α (R 0 ) + vlogt: where R 0 = R (0), v is a drift / power exponent, and t 0 = 1 without loss of generality ing.
With a sophisticated model,
log [R (t, V i )] = α (R 0 , V i ) + (v + w i ) logt
Where mean E i {w i } = 0, v depends on R level, w i << v, and the difference metric is
log [R (t, V i )] - log [R (t, V k)] = [α (R 0, V i) -α (R 0, V k)] + (w i -w k) logt Take the form of
The first term in the square brackets has a measured value of R (0), which has a value that increases with | V i −V k |. The second term is a weak function of time (w i << v). At this time, the quality of the metric (time invariance, variation) can be improved by taking an average.
E {log [R (t, V i )] − log [R (t, V k )]} = E [α (R 0 , V i ) −α (R 0 , V k )]
This value is not time dependent. This average value can be calculated from many different voltage pairs V i , V k . Such an averaging process can be implemented in a simple manner in the device of FIG. During the cell read operation, the measurement circuit 4 detects the cell current at several different applied bit-line (BL) voltages. This is shown in FIG. 8a for a digital circuit implementation and in FIG. 8b for an analog circuit implementation. The resistance measurements (V / I) obtained at each voltage are provided to the controller 5, which calculates the difference between these pairs of resistance values and averages the results to the final average difference metric. Get.

図9は、異なったセル・レベルに対する、平均差異メトリック−対−時間の波形の勾配を、未処理(絶対値)抵抗メトリックに対する同等な波形の勾配と比較したものである。これらの勾配は、ドリフト指数の推定量であり、この結果は、平均差異メトリックの優れたパフォーマンスを明瞭に示している。   FIG. 9 compares the slope of the average difference metric versus time waveform for different cell levels with the equivalent waveform slope for the raw (absolute) resistance metric. These slopes are drift index estimators, and the results clearly show the superior performance of the mean difference metric.

この差異メトリックのセル状態の指標としてのドリフト耐性を実証したので、以降にレベル判別の問題を取り上げる。効果的であるために、メトリックは、当然ながらレベル依存性があり、理想的には十分なマージンを持つレベル検出を可能にしなければならない。図10は、格納された抵抗レベルと共に平均差異メトリックがどのように変化するかを示しており、前述のように平均は電圧の複数のペアに亘って取られる。この図は、この差異メトリックが、セル状態の効果的指標として使うために十分な、格納抵抗レベルの間の判別力を持つことを示している。レベル検出は、デバイス1のコントローラ5において、セルに対して得られた平均差異メトリックを複数の所定参照値と単に比較することによって行われる。これらの参照値は、例えば、異なるセル・レベルを定義する事前計算されたメトリック値に、またはこれらの異なるセル・レベルをマップすると見なされるメトリック値のそれぞれの範囲の間の境界を定義する閾値に、対応させることができる。しかして、コントローラ5における、計算されたメトリックと参照値との単純な比較により、格納されたセル・レベルが導出される。次いで、得られたリードバック・データはコントローラ5によって出力され、前述したように、ユーザ・データを復元するためのさらなる読み取り処理がされる。   Since we have demonstrated drift tolerance as an indicator of the cell state of this difference metric, we will address the problem of level discrimination. To be effective, the metric is naturally level dependent and should ideally allow level detection with sufficient margin. FIG. 10 shows how the average difference metric varies with the stored resistance level, and the average is taken over multiple pairs of voltages as described above. This figure shows that this difference metric has a discriminating power between stored resistance levels sufficient to use as an effective indicator of cell state. Level detection is performed in the controller 5 of the device 1 by simply comparing the average difference metric obtained for the cell with a plurality of predetermined reference values. These reference values can be, for example, pre-calculated metric values that define different cell levels, or thresholds that define the boundaries between each range of metric values that are considered to map these different cell levels. , Can correspond. Thus, the stored cell level is derived by a simple comparison between the calculated metric and the reference value in the controller 5. The obtained readback data is then output by the controller 5 and further read processing is performed to restore the user data as described above.

前述のセル状態メトリックを利用することによって、上記の実施形態がPCMセル状態の判別に対する新規の技法を実装でき、これにより取り出された情報には実質的にドリフトに対する耐性があることは明らかであろう。この技法は、ドリフト自体の特質に関するいかなる仮定も立てないことが可能で、ユーザ・ストレージ容量のいかなる内在ロスももたらさないようにすることが可能である。しかして、デバイス1は、向上されたパフォーマンスに加えて実装の簡単さを提供する新規のセル状態メトリック技法を利用した、新しいMLC PCMデバイスを構成する。   By utilizing the cell state metrics described above, it is clear that the above embodiments can implement a new technique for PCM cell state determination, and the information retrieved thereby is substantially resistant to drift. Let's go. This technique may not make any assumptions about the nature of the drift itself, and may not cause any inherent loss of user storage capacity. Device 1 thus constitutes a new MLC PCM device that utilizes a novel cell state metric technique that provides ease of implementation in addition to improved performance.

当然のことながら、前述した例示的な実施形態には、多くの変更および修改を加えることが可能なのは明らかである。例えば、PCMセルの閾値以下のI/V特性に基づくさまざまな他のメトリックを構想することができる。相異なるバイアス電圧V、Vでのセル電流の対数の間の差として、または同様に、相異なる定電流レベルで測定された電圧の対数の差として別の単純なメトリックを得ることが可能である。本明細書では、検出量の対数を用いているが、これらの量の他の関数、あるいは検出された値それ自体をも、差異メトリックの計算に用いることができよう。さらに、単純な差異メトリックは、I/V勾配に対する粗な数値近似(それでも、これはI/V勾配に対する同様の特性(時間不変性、Rレベル依存性)を有する)を提供するが、所望される場合、より良好な数値近似を用いることができ、向上された精度を提供することができる。関数の導関数に対する数値近似はよく研究された題目であり、この面でのさまざまな展開は、当業者には自明であろう。閾値以下のI/V勾配に関する他の可能なメトリックは、閾値以下のレジームにおける伝導の解析式に関連して、上記で提案した差異メトリックを勘案することによって容易に分かる。図11を参照しながら、以下に具体的な例を説明する。 Of course, it will be apparent that many changes and modifications may be made to the exemplary embodiments described above. For example, various other metrics can be envisioned based on I / V characteristics below the threshold of the PCM cell. Another simple metric can be obtained as the difference between logarithms of cell currents at different bias voltages V i , V k , or similarly as the logarithm difference of voltages measured at different constant current levels It is. Although the present specification uses the logarithm of the detected quantities, other functions of these quantities, or the detected values themselves, could be used to calculate the difference metric. In addition, a simple difference metric provides a rough numerical approximation to the I / V slope (which still has similar properties (time invariance, R level dependence) for the I / V slope, but is desired. Better numerical approximation can be used and improved accuracy can be provided. Numerical approximation to the derivative of a function is a well-studied subject, and various developments in this aspect will be obvious to those skilled in the art. Other possible metrics for sub-threshold I / V slopes are readily apparent by considering the difference metric proposed above in connection with the analytic equation for conduction in sub-threshold regimes. A specific example will be described below with reference to FIG.

図11は、PCMセルの概略図であり、影付きの半球は、セルの、厚さtgstの活性容積内のアモルファス相の実効容積を表す。このアモルファス容積は、図中に示されるように実効厚さuを有する。アモルファス・カルコゲニド中の伝導は、局部的欠陥状態(トラップ)の間での熱活性化されたキャリヤのホッピングによると考えられている。アモルファス相中のトラップ制限伝導に対する2つの主なモデルは、高欠陥密度に対するプール伝導(Ielmini−Zhang)および低欠陥密度に対するプール・フレンケル伝導である。これらのモデルは、温度T、実効アモルファス厚さu、およびさまざまな他のパラメータに関連しながら、セル電流Iの印加電圧Vへの依存性を表す。プール伝導モデルに関して、差異メトリックは下式として示すことができる。 FIG. 11 is a schematic diagram of a PCM cell, where the shaded hemisphere represents the effective volume of the amorphous phase within the active volume of the cell at thickness t gst . This amorphous volume has an effective thickness u a as shown in the figure. Conduction in amorphous chalcogenides is believed to be due to thermally activated carrier hopping between localized defect states (traps). Two main models for trap-limited conduction in the amorphous phase are pool conduction for high defect densities (Ielmini-Zhang) and pool-Frenkel conduction for low defect densities. These models represent the dependence of the cell current I on the applied voltage V in relation to the temperature T, the effective amorphous thickness u a , and various other parameters. For the pool conduction model, the difference metric can be expressed as:

Figure 2013541123
Figure 2013541123

式中のdzは平均トラップ間距離であり、kはボルツマン定数であり、qは一電子の電荷である。同様に、uは下式として推量することができる。 In the equation, dz is an average distance between traps, k B is a Boltzmann constant, and q is a charge of one electron. Similarly, u a can be estimated as:

Figure 2013541123
Figure 2013541123

このようにして推量された実効アモルファス厚さuは、本発明の別の実施形態においてセル状態のメトリックとして使用することが可能であろう。 The effective amorphous thickness u a thus estimated could be used as a cell state metric in another embodiment of the invention.

プール・フレンケル・モデルに対する同様な解析は、差異メトリックが下式であることを示している。   Similar analysis for the Pool Frenkel model shows that the difference metric is

Figure 2013541123
Figure 2013541123

式中のεは実効誘電率である。同様に、√uは下式として推量することができる。 In the equation, ε is an effective dielectric constant. Similarly, √u a can be estimated as the following equation.

Figure 2013541123
Figure 2013541123

このように推量されたパラメータ√uも、別の実施形態においてセル状態のメトリックとして使用することが可能であろう。 The parameter √u a thus estimated could also be used as a cell state metric in another embodiment.

なお、必要に応じて、本発明の諸実施形態で、前述のセル状態メトリック・システムと併せて、パフォーマンス向上のため他の技法を用いることができよう。ドリフトに対処するために、本セル状態メトリック・システムに、符号化などの他の技法をうまく組み合わせることによって、とりわけ向上したパフォーマンスを得ることができる。別の例として、レベル検出に使われる参照値は、例えば、参照セルまたはモデル・ベースの修正技法に基づいて定期的に行うなど、動的ベースで更新することができる。また、測定値中の無相関のノイズは、前述の仕方に沿って結果を平均することによって抑制することが可能である。   It should be noted that other techniques could be used to improve performance, as needed, in conjunction with the cell state metric system described above, in embodiments of the present invention. To cope with drift, improved performance can be obtained, among other things, by successfully combining this cell state metric system with other techniques such as encoding. As another example, reference values used for level detection can be updated on a dynamic basis, for example, periodically based on reference cell or model-based correction techniques. Also, uncorrelated noise in the measured values can be suppressed by averaging the results along the way described above.

本発明の範囲から逸脱することなく、説明した例示的な諸実施形態に多くの別途の変更および修改を加えることが可能である。   Many additional changes and modifications may be made to the described exemplary embodiments without departing from the scope of the present invention.

Claims (15)

相変化メモリ・セルの状態を判定する方法であって、前記方法は、
前記セルの閾値以下の電流−対−電圧特性に従って複数の測定を行うステップと、
前記測定値を処理して、前記電流−対−電圧特性の勾配に依存するメトリックを得るステップと、
前記メトリックに基づいて前記セルの前記状態を判定するステップと、
を含む方法。
A method for determining a state of a phase change memory cell, the method comprising:
Making a plurality of measurements according to current-to-voltage characteristics below the threshold of the cell;
Processing the measurement to obtain a metric dependent on a slope of the current-to-voltage characteristic;
Determining the state of the cell based on the metric;
Including methods.
s>2であるsのレベル相変化メモリ・セルの前記状態を判定する方法であって、前記方法は、前記メトリックを前記セルの前記sのレベルを示す複数の参照値と比較することによって、前記セルの前記状態を判定するステップを含む、請求項1に記載の方法。   A method for determining the state of an s level phase change memory cell with s> 2, the method comprising: comparing the metric with a plurality of reference values indicative of the s level of the cell; The method of claim 1, comprising determining the state of the cell. 相異なるバイアス電圧でセル電流の複数の測定を行うステップを含み、前記メトリックは、前記相異なるバイアス電圧で前記測定されたセル電流の関数の差に依存する、請求項1または請求項2に記載の方法。   The method of claim 1, comprising performing multiple measurements of cell current at different bias voltages, wherein the metric depends on a difference in function of the measured cell current at the different bias voltages. the method of. 相異なる印加セル電流に対し前記セルの両端の電圧の複数の測定を行うステップを含み、前記メトリックは、前記相異なる印加電流で前記測定されたセル電圧の関数の差に依存する、請求項1または請求項2に記載の方法。   The method includes the step of making multiple measurements of the voltage across the cell for different applied cell currents, the metric depending on a difference in function of the measured cell voltage at the different applied currents. Or the method of claim 2. 前記電流−対−電圧特性上の相異なる点においてセル抵抗の複数の測定を行うステップを含み、前記メトリックは、前記相異なる点で前記測定されたセル抵抗の関数の差に依存する、請求項1または請求項2に記載の方法。   Making a plurality of measurements of cell resistance at different points on the current-to-voltage characteristic, wherein the metric depends on a difference in a function of the measured cell resistance at the different points. 3. A method according to claim 1 or claim 2. 前記測定された値の前記関数はその値の対数を含む、請求項3〜5のいずれか一つに記載の方法。   The method according to claim 3, wherein the function of the measured value includes a logarithm of the value. 前記メトリックは、前記セル中の実効アモルファス厚さ(u)に依存する、請求項1〜6のいずれかに記載の方法。 The method according to claim 1, wherein the metric depends on the effective amorphous thickness (u a ) in the cell. 前記メトリックは、前記セル中の前記実効アモルファス厚さ(u)の推定量を含む、請求項7に記載の方法。 The method of claim 7, wherein the metric comprises an estimate of the effective amorphous thickness (u a ) in the cell. 2より多い前記測定を行うステップを含み、前記処理するステップは平均化処理を含む、請求項1〜8のいずれかに記載の方法。   9. The method according to any of claims 1 to 8, comprising the step of taking more than two measurements, wherein the step of processing comprises an averaging process. 相変化メモリ・セルの状態を判定するための装置であって、前記装置は、
前記セルの閾値以下の電流−対−電圧特性に従って複数の測定を行うための測定回路(4)と、
前記測定値を処理して、前記電流−対−電圧特性の勾配に依存するメトリックを得るためのコントローラ(5)であって、前記コントローラ(5)は、前記メトリックに基づいて前記セルの前記状態を判定するようになっている、前記コントローラ(5)と、
を含む装置。
An apparatus for determining a state of a phase change memory cell, the apparatus comprising:
A measurement circuit (4) for performing a plurality of measurements according to current-to-voltage characteristics below the threshold of the cell;
A controller (5) for processing the measured value to obtain a metric dependent on a slope of the current-to-voltage characteristic, wherein the controller (5) is configured to determine the state of the cell based on the metric. Said controller (5) adapted to determine
Including the device.
s>2であるsのレベル相変化メモリ・セルの前記状態を判定するための装置であって、前記コントローラ(5)は、前記メトリックを前記セルの前記sのレベルを示す複数の参照値と比較することによって、前記セルの前記状態を判定するようになっている、請求項10に記載の装置。   An apparatus for determining the state of an s level phase change memory cell with s> 2, wherein the controller (5) includes the metric as a plurality of reference values indicative of the s level of the cell. The apparatus according to claim 10, wherein the apparatus is adapted to determine the state of the cell. 前記測定回路(4)は、相異なるバイアス電圧でセル電流の複数の測定を行うようになっており、前記メトリックは、前記相異なるバイアス電圧で前記測定されたセル電流の関数の差に依存する、請求項10または請求項11に記載の装置。   The measurement circuit (4) is adapted to perform a plurality of measurements of the cell current at different bias voltages, and the metric depends on a difference in a function of the measured cell current at the different bias voltages. 12. Apparatus according to claim 10 or claim 11. 前記測定回路(4)は、相異なる印加セル電流に対し前記セルの両端の電圧の複数の測定を行うようになっており、前記メトリックは、前記相異なる印加電流で前記測定されたセル電圧の関数の差に依存する、請求項10または請求項11に記載の装置。   The measurement circuit (4) is configured to perform a plurality of measurements of voltages across the cell with respect to different applied cell currents, and the metric includes the measured cell voltage with the different applied currents. 12. An apparatus according to claim 10 or claim 11 that depends on a difference in function. 前記測定回路(4)は、前記電流−対−電圧特性上の相異なる点においてセル抵抗の複数の測定を行うようになっており、前記メトリックは、前記相異なる点で前記測定されたセル抵抗の関数の差に依存する、請求項10または請求項11に記載の装置。   The measurement circuit (4) is configured to perform a plurality of cell resistance measurements at different points on the current-vs-voltage characteristics, and the metric is the cell resistance measured at the different points. 12. An apparatus according to claim 10 or claim 11 which depends on a difference in function of 複数の相変化メモリ・セルを包含するメモリ(2)と、
前記相変化メモリ・セルに対しデータの読み取りおよび書き込みをするための読み取り/書き込み装置(3)であって、前記読み取り/書き込み装置(3)は、請求項10〜14に記載の、前記メモリ・セルの前記状態を判定するための装置を含む、前記読み取り/書き込み装置(3)と、
を含む、相変化メモリ・デバイス(1)。
A memory (2) including a plurality of phase change memory cells;
A read / write device (3) for reading and writing data to said phase change memory cell, said read / write device (3) comprising said memory memory device according to claim 10-14. The read / write device (3) comprising a device for determining the state of a cell;
A phase change memory device (1) comprising:
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