近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所宋志棠、雷宇研究团队，在三维相变存储器（3D PCM）亚阈值读取电路、高可靠编程电路、模型方面取得了系列进展，成果发表在国际学术期刊IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers等。

一、3D PCM亚阈值读取电路

3D PCM是最先进的独立式新型存储技术之一。3D PCM读取和编程操作都需要开启双向阈值选通器件（OTS），芯片的疲劳次数被限制在10E6，和传统存储器DRAM的10E16存在差距。CEA-leti（法国原子能委员会）G. Navarro等人于2017年提出了器件层面的亚阈值读取技术，把存储单元读取电压设置在OTS阈值电压以下，提高了芯片寿命（G. Navarro, VLSI’17）。但亚阈值读取技术在电路应用中，有以下困难：（a）读取电流相比常规读取电流下降~100倍，读取速度相应减慢~100倍；（b）读取裕度相比常规读取裕度下降~50倍；（c）漏电与读取电流比上升，可靠性大幅下降。因此，目前亚阈值读取的相关研究仍停留在器件，未跨越到电路层面（J. Woo, ISCAS’19）。

针对以上挑战，团队提出了一种亚阈值自适应参考漏电补偿（ARLC）读出电路。ARLC读出电路有效地采样和补偿了阵列中的泄漏电流，并基于所选单元的数据状态和地址提供自适应参考。结果显示，相比于传统读出电路，ARLC读出电路读取裕度提升11.1倍，读取速度提升85%，良率提升60.3%，读疲劳提升51倍。该工作以“A Subthreshold Adaptive-Reference Leakage-Compensation Sensing Scheme for 3D PCM with Enhanced Sensing Margin and Endurance”为题发表在IEEE电路与系统旗舰期刊IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers（10.1109/TCSI.2024.3412891）。

图1  亚阈值读取概念和电路

二、高密度3D PCM高可靠编程电路

20 nm工艺节点及以下，3D PCM的写操作可靠性受到写干扰、IR压降、漏电等非理想因素的严重影响，SK Hynix和Micron公司认为这是3D PCM难以微缩的重要原因（Micron @ IEDM’23, SK Hynix @ VLSI’23, IEDM’22 & IEDM’18）。针对以上挑战，团队归纳了影响泄露电流大小的主要因素：选中BL上数据状态、选中单元的行地址和选中单元的列地址。量化了泄露和最优编程电流，提出了地址敏感和数据敏感写电流自动配置电路。其将热干扰导致周围非晶态单元错误的概率降低了900倍以上，单元疲劳提高至原来的7.49倍，显著提高了3D PCM的可靠性。该工作以“Auto-Configuration Write Scheme with Enhanced Reliability for 3-D Cross-Point PCM”为题发表在IEEE电路与系统旗舰期刊IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs（2024, 71, 2）。

图2  高密度3D PCM高可靠编程电路

三、1S1R存储单元SPICE模型

1S1R是3D PCM的基本存储单元，带有Monte Carlo功能的 1S1R SPICE 模型是3D PCM可靠性设计和良率提升的关键，也是国际空白。团队在国际上首次提出带有Monte Carlo功能的1S1R SPICE模型，依据OTS、PCM由电场强度控制阈值转换的特性，引入了参数的统计分布，准确模拟1S1R单元电学特性的统计分布，并在SPICE电路级仿真中还原3D PCM的真实工艺波动，提升了电路设计的可靠性。进一步，使用所提出的模型对亚阈值读取的设计参数进行了探索，包括：亚阈值读取泄漏电流量化、最小读出采样时间设定、最大阵列尺寸设定、减轻泄漏电流影响的方法。该工作以“A 1S1R model with the Monte Carlo function for subthreshold sensing operation”为题发表在IEEE电路与系统旗舰会议IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS)。

图3  模型和实测数据对比

以上研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项、中国科学院青年创新促进会、集成电路材料全国重点实验室自主课题、中国博士后科学基金、上海市科委等项目的支持。

论文链接：

https://ieeexplore.ieee.org/document/10568983

https://ieeexplore.ieee.org/document/10238841

https://ieeexplore.ieee.org/document/10182196