用于互补非易失性存储器设备操作的方法、系统和设备技术方案

公开了用于双非易失性存储器设备的操作的方法、系统和设备。在实施例中，通过控制施加到非易失性存储器设备的端子的电流和电压，可以在写入操作中将串联耦合的一对非易失性存储器设备置于互补存储器状态中。

Method, system and device for complementary non-volatile memory device operation

A method, system and apparatus for operation of dual nonvolatile memory devices are disclosed. In an embodiment, by controlling the current and voltage of the terminals applied to the nonvolatile memory device, a pair of non-volatile memory devices in series coupled in series can be placed in a complementary memory state in the writing operation.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于互补非易失性存储器设备操作的方法、系统和设备
公开了利用存储器设备的技术。
技术介绍
非易失性存储器是这样一类存储器：其中存储单元或元件在供应给设备的电力被移除后不会失去其状态。例如，最早的计算机存储器是用可以在两个方向上磁化的铁氧体环制成的、是非易失性的。随着半导体技术发展到更高级别的小型化，铁氧体设备不再被用于更常见的易失性存储器，例如DRAM(动态随机存取存储器)和SRAM(静态RAM)。一种类型的非易失性存储器，电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)设备具有大单元面积并且可能需要晶体管栅极上的大电压(例如从12.0至21.0伏)来写或擦除。而且，擦除或写入时间通常是几十微秒的量级。EEPROM的一个限制因素是擦除/写入周期的有限次数不超过600,000次，或者105-106次。通过扇区化存储器阵列，使得可以在称为EEPROM的闪存设备中一次性擦除“页面”(例如，子阵列)，半导体工业已经消除了在EEPROM和非易失性晶体管之间的通栅开关晶体管的需要。在闪存设备中，保持随机存取(擦除/写入单个位)的能力牺牲了速度和更高的位密度。最近，FeRAM(铁电RAM)提供了低功耗、相对高的写入/读取速度以及超过100亿次读/写入周期的耐久性。类似地，磁存储器(MRAM)提供了高的写入/读取速度和耐用性，但具有高成本溢价和更高的功耗。例如，这些技术都不能达到闪存设备的密度。因此，闪存仍是一种非易失性存储器。尽管如此，人们普遍认识到闪存技术可能无法在65纳米(nm)以下轻松缩放；因此正在积极寻求能够缩放到更小尺寸的新型非易失性存储器设备。考虑用于替换闪存设备的技术包括基于某些材料的存储器，这些材料呈现与材料的相变相关联的电阻变化(至少部分通过晶体结构中原子的长程排序来确定)。在称为相变存储器(PCM/PCRAM)设备的一种类型的可变电阻存储器中，当存储器元件短暂熔化然后冷却至导电结晶态或非导电非晶态时，电阻发生变化。典型的材料各不相同，可能包括GeSbTe，其中Sb和Te可以与元素周期表中相同或相似性质的其它元素进行交换。然而，这些基于电阻的存储器尚未证明具有商业价值，因为它们在导电状态和绝缘状态之间的转换取决于物理结构现象(例如，在高达600摄氏度时熔化)，并返回到对于在许多应用中有用的存储器无法充分控制的固态。另一种可变电阻存储器类别包括响应初始高“成形”电压和电流以激活可变电阻功能的材料。这些材料可以包括例如PrxCayMnzO∈，其中x、y、z和∈是可变的化学计量；诸如CuO、CoO、VOx、NiO、TiO2、Ta2O5之类的过渡金属氧化物(TMO)；以及诸如Cr、SrTiO3之类的一些钙钛矿。这些存储器类型中的几种存在并且落入电阻式RAM(ReRAM)或导电桥式RAM(CBRAM)分类中，以区别于硫属化物类型的存储器。假定这些RAM中的电阻切换至少部分是由于通过电铸过程形成了连接顶部和底部导电端子的狭窄导电路径或细丝(filament)，虽然这种导电细丝的存在仍然是一个问题争议。由于ReRAM/CBRAM的运行对温度的依赖性很强，ReRAM/CBRAM中的电阻切换机制还可能与温度高度地相关。另外，由于细丝的形成和移动是随机的，这些系统可随机运行。其它类型的ReRAM/CBRAM还可能表现出不稳定的品质。此外，ReRAM/CBRAM中的电阻切换在许多存储器周期中易于疲劳。也就是说，在存储器状态多次被改变之后，导通状态与绝缘状态之间的电阻的差可能显着改变。在商业存储器设备中，这样的改变可能会使存储器超出规格并使其不可用。鉴于在形成随时间和温度稳定的薄膜电阻切换材料时的固有困难，可工作的电阻切换存储器仍然是一个挑战。此外，由于高电流、电铸、在合理的温度和电压范围内没有可测量的存储器读取或写入窗口、以及诸如随机行为的许多其它问题，迄今为止开发的所有电阻切换机制本质上不适用于存储器。因此，本领域仍然需要确定性的低功耗、高速度、高密度和稳定性的非易失性存储器，并且尤其是可以缩放到远低于65纳米(nm)的特征尺寸的这种存储器。附图说明图1A示出了CES设备的电流密度相对于电压的关系曲线；图1B是到CES设备的等效电路的示意图；以及图2是位单元的示意图。具体实施方式本公开的特定实施例结合相关电子材料(CEM)以形成相关电子开关(CES)。在这种情况下，CES可能表现出由电子相关而不是固态结构相变引起的突变导体/绝缘体转变(例如，如以上讨论的，相变存储器(PCM)设备中的晶体/非晶体或电阻性RAM设备中的细丝形成和导电)。在一个实施例中，例如，CES中突然的导体/绝缘体转变可以响应于量子力学现象，而不是熔化/固化或细丝形成。如本文所使用的，术语“导电状态”、“低阻抗状态”、和/或“金属状态”可以是可互换的，和/或有时可被称为“导电/低阻抗状态”。类似地，术语“绝缘状态”和“高阻抗状态”在本文中可以互换使用，和/或有时可以被称为“绝缘/高阻抗状态”。可以参考Mott(莫特)转变来理解CES在绝缘状态和导电状态之间的量子力学转变。在Mott转变中，如果发生Mott转变条件，则材料可以从绝缘状态切换到导电状态。标准可由条件(nC)1/3a＝0.26来定义，其中，nC是电子的浓度并且“a”是玻尔(Bohr)半径。如果达到临界载流子浓度从而满足Mott标准，可以发生Mott转变并且状态将从高电阻/电容变为低电阻/电容。Mott转变可由电子的局部化来控制。随着载流子被局部化，电子之间的强库仑相互作用将CEM的能带分离以形成绝缘体。当电子不再局部化时，弱的库仑相互作用可能主导能带分离，导致金属(导电)能带。这有时被解释为“拥挤的电梯”现象。当电梯内只有少数人时，人们可以轻松地移动，这类似于导电状态。另一方面，当电梯达到一定的人群密度时，人们不能再移动，这类似于绝缘状态。然而应理解，如同所有经典的量子现象解释一样，为了说明的目的而提供的这种经典解释，仅仅是一种不完全的类比并且所要求保护的主题在这方面不受限制。在特定实施方式中，电阻切换集成电路存储器可以包括：包括CES设备的电阻切换存储单元；写入电路，用于根据提供给存储器设备的信号将电阻切换存储单元置于第一电阻状态或第二电阻状态，其中在第二电阻状态下CES的电阻高于在第一电阻状态下的电阻；以及读取电路，用于感测存储单元的状态并提供与感测到的存储单元的状态相对应的电信号。处于第二电阻状态的CES的电阻可以是第一电阻状态中的电阻的100倍以上。在特定的实施方式中，CES设备可以切换响应于CES设备的大部分体积中的Mott转变的电阻状态。CES设备可以包括从包括铝、镉、铬、钴、铜、金、铁、锰、汞、钼、镍、钯、铼、钌、银、锡、钛、钒和锌的组中选择的材料(其可以链接到诸如氧之类的阳离子或其它类型的配体)或其组合。在特定实施例中，CES设备可以形成为“CEM随机存取存储器(CeRAM)”设备。在这种情况下，CeRAM设备包括这样的材料：该材料可以在多个预定的可检测存储器状态之间转换，该预定的可检测存储器状态至少部分地基于利用量子力学Mott转变的导电状态和绝缘状态之间的材料的至少一部分的转变。在这种情况下，“存储器状态”意指存储器设备的可检测状态，其指示值、符号、参数或条件本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种设备，包括：串联连接的多个非易失性存储器元件，其中所述多个非易失性存储器元件中的第一非易失性存储器元件连接到参考节点，所述多个非易失性存储器元件可操作以执行：以第一模式存储第一符号或值，其中至少所述非易失性存储器元件中的第一非易失性存储器元件处于第一阻抗状态，并且至少所述非易失性存储器元件中的第二非易失性存储器元件处于第二阻抗状态；以第二模式存储第二符号或值，其中至少所述非易失性存储器元件中的第二非易失性存储器元件处于所述第一阻抗状态，并且至少所述第一非易失性存储器元件处于所述第二阻抗状态；所述设备还包括：第一导电元件，被配置为当所述设备处于所述第二模式时将所述参考节点连接至充电的位线，并且当所述设备处于所述第一模式时将所述参考节点从所述充电的位线断开。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.09.22 US 14/862,0401.一种设备，包括：串联连接的多个非易失性存储器元件，其中所述多个非易失性存储器元件中的第一非易失性存储器元件连接到参考节点，所述多个非易失性存储器元件可操作以执行：以第一模式存储第一符号或值，其中至少所述非易失性存储器元件中的第一非易失性存储器元件处于第一阻抗状态，并且至少所述非易失性存储器元件中的第二非易失性存储器元件处于第二阻抗状态；以第二模式存储第二符号或值，其中至少所述非易失性存储器元件中的第二非易失性存储器元件处于所述第一阻抗状态，并且至少所述第一非易失性存储器元件处于所述第二阻抗状态；所述设备还包括：第一导电元件，被配置为当所述设备处于所述第二模式时将所述参考节点连接至充电的位线，并且当所述设备处于所述第一模式时将所述参考节点从所述充电的位线断开。2.如权利要求1所述的设备，其中所述参考节点连接到地节点。3.如权利要求1或2所述的设备，其中所述第一导电元件包括NFET，该NFET包括连接到所述第一非易失性存储器元件的第二端子和所述第二非易失性存储器元件的第一端子的栅极端子。4.如前述权利要求中任一项所述的设备，还包括第二导电元件，用于在写入操作期间将电压源连接到所述第一非易失性存储器元件的第一端子和所述第二非易失性存储器元件的第一端子；在写入操作期间，所述第二导电元件至少部分地跨所述第一非易失性存储器元件的第一端子和第二端子施加第一编程信号，并且至少部分地跨所述第二非易失性存储器元件的第一端子和第二端子施加第二编程信号。5.如权利要求4所述的设备，其中所述第一编程信号包括第一电压和第一电流，以将所述第一非易失性存储器元件置于所述第一阻抗状态，并且其中所述第二编程信号包括第二电压和第二电流以将所述非易失性存储器元件中的第二非易失性存储器元件置于所述第二阻抗状态，并且其中：所述第二电压的幅度超过所述第一电压的幅度，所述并且第一电流的幅度超过所述第二电流的幅度。6.如权利要求4或5所述的设备，其中所述第二导电元件包括PFET，以响应于施加到所述PFET的栅极端子的字线电压，在所述写入操作期间将所述电压源连接到所述第一非易失性存储器元件的第二端子和所述第二非易失性存储器元件的第一端子。7.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述第一非易失性存储器元件包括第一相关电子开关(CES)元件，并且所述第二非易失性存储器元件包括第二CES元件。8.如权利要求1至6中任一项所述的设备，其中，所述第一非易失性存储器元件包括第一CeRAM元件，并且所述第二非易失性存储器元件包括第二CeRAM元件。9.一种方法，包括：在第一写入操作中将第一位线连接到第一非易失性存储器元件的第一端子和第二非易失性存储器元件的第一端子，来存储第一符号或值，所述非易失性存储器元件串联连接，并且可操作来以第一...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿齐兹·巴夫纳加尔瓦拉，罗伯特·坎贝尔·艾特肯，卢西恩·斯弗恩，
申请(专利权)人：ARM有限公司，
类型：发明
国别省市：英国,GB