特表 2024-523151 重み更新における直線性向上のための相変化メモリに基づくシナプス・デバイスのパルシング

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-06-28

(54)【発明の名称】重み更新における直線性向上のための相変化メモリに基づくシナプス・デバイスのパルシング

(51)【国際特許分類】

   G11C 13/00 20060101AFI20240621BHJP

   G11C 11/54 20060101ALI20240621BHJP

   H10N 70/00 20230101ALI20240621BHJP

   H10B 63/10 20230101ALI20240621BHJP

【ＦＩ】

G11C13/00 480K

G11C13/00 210

G11C11/54

H10N70/00 A

H10B63/10

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023573343

(86)(22)【出願日】2022-05-19

(85)【翻訳文提出日】2023-11-28

(86)【国際出願番号】 EP2022063616

(87)【国際公開番号】W WO2022268416

(87)【国際公開日】2022-12-29

(31)【優先権主張番号】17/304,503

(32)【優先日】2021-06-22

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】390009531

【氏名又は名称】インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーション

【氏名又は名称原語表記】ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ ＢＵＳＩＮＥＳＳ ＭＡＣＨＩＮＥＳ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ

【住所又は居所原語表記】Ｎｅｗ Ｏｒｃｈａｒｄ Ｒｏａｄ， Ａｒｍｏｎｋ， Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ １０５０４， Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ

(74)【代理人】

【識別番号】100112690

【弁理士】

【氏名又は名称】太佐 種一

(74)【代理人】

【識別番号】100120710

【弁理士】

【氏名又は名称】片岡 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】カーター、ファビオ

(72)【発明者】

【氏名】ブライトスキー、マシュー ジョセフ

(72)【発明者】

【氏名】キム、ワンキ

(72)【発明者】

【氏名】ブーヴィエ、マクサンス

(72)【発明者】

【氏名】キム、サンブン

【テーマコード（参考）】

5F083

【Ｆターム（参考）】

5F083FZ10

5F083GA30

5F083JA60

5F083PR33

(57)【要約】

一実施形態によれば、相変化メモリ（ＰＣＭ）セルの重み更新の直線性を向上させるための方法、コンピュータ・システム、およびコンピュータ・プログラム製品が提供される。本発明は、ＰＣＭセルの相変化材料を非晶質化させるためにＲＥＳＥＴパルスを印加すること、ＲＥＳＥＴパルスを印加することに応答して、インキュベーション・パルスをＰＣＭセルに印加すること、およびＰＣＭセルのコンダクタンスをインクリメンタルに増加させるために複数の部分的ＳＥＴパルスを印加することを含んでよい。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

相変化メモリ（ＰＣＭ）セルの重み更新の直線性を向上させるためのプロセッサ実施方法であって、前記方法は、
前記ＰＣＭセルを非晶質化させるためにＲＥＳＥＴパルスを印加することに応答して、インキュベーション・パルスを前記ＰＣＭセルに印加すること、および
前記ＰＣＭセルのコンダクタンスをインクリメンタルに増加させるために複数の部分的ＳＥＴパルスを印加すること
を含む、方法。

【請求項2】

閾値を満たし、または超える前記重み更新の分散に応じて、前記ＲＥＳＥＴパルス、前記インキュベーション・パルス、および／または前記部分的ＳＥＴパルスの振幅および／または幅を修正すること
をさらに含む、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記インキュベーション・パルスの振幅および幅は、前記ＰＣＭセルを備える相変化材料のインキュベーション時間に基づく、請求項１に記載の方法。

【請求項4】

前記部分的ＳＥＴパルスの振幅および／または幅は、分散の閾値レベルを下回る重み更新挙動を生み出すために予め決定される、請求項１に記載の方法。

【請求項5】

前記複数の部分的ＳＥＴパルスは、プレアニーリング・コンポーネントをさらに備える、請求項１に記載の方法。

【請求項6】

前記プレアニーリング・コンポーネントの振幅および幅は、結晶成長速度を改善するために定式化される、請求項５に記載の方法。

【請求項7】

閾値を満たし、または超える前記重み更新の分散に応じて、前記ＰＣＭセルを非晶質化させるためにＲＥＳＥＴパルスを印加すること
をさらに含む、請求項１に記載の方法。

【請求項8】

相変化メモリ（ＰＣＭ）セルの重み更新の直線性を向上させるためのコンピュータ・システムであって、前記コンピュータ・システムは、
１つ以上のＰＣＭセル、１つ以上のプロセッサ、１つ以上のコンピュータ可読メモリ、１つ以上のコンピュータ可読有形ストレージ媒体、および前記１つ以上のメモリの少なくとも１つを介した前記１つ以上のプロセッサの少なくとも１つによる実行のために前記１つ以上の有形ストレージ媒体の少なくとも１つの上に格納されたプログラム命令
を備え、前記コンピュータ・システムは、
前記ＰＣＭセルを非晶質化させるためにＲＥＳＥＴパルスを印加することに応答して、インキュベーション・パルスを前記ＰＣＭセルに印加すること、および
前記ＰＣＭセルのコンダクタンスをインクリメンタルに増加させるために複数の部分的ＳＥＴパルスを印加すること
を含む方法を行うことが可能である、
コンピュータ・システム。

【請求項9】

閾値を満たし、または超える前記重み更新の分散に応じて、前記ＲＥＳＥＴパルス、前記インキュベーション・パルス、および／または前記部分的ＳＥＴパルスの振幅および／または幅を修正すること
をさらに含む、請求項８に記載のコンピュータ・システム。

【請求項10】

前記インキュベーション・パルスの振幅および幅は、前記ＰＣＭセルを備える相変化材料のインキュベーション時間に基づく、請求項８に記載のコンピュータ・システム。

【請求項11】

前記部分的ＳＥＴパルスの振幅および／または幅は、分散の閾値レベルを下回る重み更新挙動を生み出すために予め決定される、請求項８に記載のコンピュータ・システム。

【請求項12】

前記複数の部分的ＳＥＴパルスは、プレアニーリング・コンポーネントをさらに備える、請求項８に記載のコンピュータ・システム。

【請求項13】

前記プレアニーリング・コンポーネントの振幅および幅は、結晶成長速度を改善するために定式化される、請求項１２に記載のコンピュータ・システム。

【請求項14】

閾値を満たし、または超える前記重み更新の分散に応じて、前記ＰＣＭセルを非晶質化させるためにＲＥＳＥＴパルスを印加すること
をさらに含む、請求項８に記載のコンピュータ・システム。

【請求項15】

相変化メモリ（ＰＣＭ）セルの重み更新の直線性を向上させるためのコンピュータ・プログラム製品であって、前記コンピュータ・プログラム製品は、
１つ以上のコンピュータ可読有形ストレージ媒体、および前記１つ以上の有形ストレージ媒体の少なくとも１つの上に格納されたプログラム命令
を備え、前記プログラム命令は、プロセッサに、
前記ＰＣＭセルを非晶質化させるためにＲＥＳＥＴパルスを印加することに応答して、インキュベーション・パルスを前記ＰＣＭセルに印加すること、および
前記ＰＣＭセルのコンダクタンスをインクリメンタルに増加させるために複数の部分的ＳＥＴパルスを印加すること
を含む方法を行わせるために、前記プロセッサによって実行可能である、
コンピュータ・プログラム製品。

【請求項16】

閾値を満たし、または超える前記重み更新の分散に応じて、前記ＲＥＳＥＴパルス、前記インキュベーション・パルス、および／または前記部分的ＳＥＴパルスの振幅および／または幅を修正すること
をさらに含む、請求項１５に記載のコンピュータ・プログラム製品。

【請求項17】

前記インキュベーション・パルスの振幅および幅は、前記ＰＣＭセルを備える相変化材料のインキュベーション時間に基づく、請求項１５に記載のコンピュータ・プログラム製品。

【請求項18】

前記部分的ＳＥＴパルスの振幅および／または幅は、分散の閾値レベルを下回る重み更新挙動を生み出すために予め決定される、請求項１５に記載のコンピュータ・プログラム製品。

【請求項19】

前記複数の部分的ＳＥＴパルスは、プレアニーリング・コンポーネントをさらに備える、請求項１５に記載のコンピュータ・プログラム製品。

【請求項20】

前記プレアニーリング・コンポーネントの振幅および幅は、結晶成長速度を改善するために定式化される、請求項１９に記載のコンピュータ・プログラム製品。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、一般に、コンピューティングの分野に関し、より詳しくは相変化メモリに関する。

【背景技術】

【0002】

相変化メモリ、またはＰＣＭは、低電気抵抗を有する秩序結晶質相と、高電気抵抗をもつ無秩序非晶質相との間で迅速に変化し得る半導体合金を利用する一種の不揮発性ランダム・アクセス・メモリであり、セルの相を識別するためにＰＣＭセルを通過する電流の抵抗を測定できて、セルが情報のビットを格納し、メモリとして機能することを可能にする。ＰＣＭは、材料のいずれの相を維持するためにも電力が必要とされないため、不揮発である。ＰＣＭは、フラッシュ・メモリとＤＲＡＭとの間の性能ギャップを埋めるためのストレージ・クラス・メモリの強い候補となる可能性を有し、なかでも、速度およびスケーラビリティ、不揮発性、ならびにパワー消費量において強力な利益を提供し得る。

【発明の概要】

【0003】

一実施形態によれば、相変化メモリ（ＰＣＭ）セルの重み更新の直線性を向上させるための方法、コンピュータ・システム、およびコンピュータ・プログラム製品が提供される。本発明は、ＰＣＭセルの相変化材料を非晶質化させるためにＲＥＳＥＴパルスを印加すること、ＲＥＳＥＴパルスを印加することに応答して、インキュベーション・パルス（ｉｎｃｕｂａｔｉｏｎ ｐｕｌｓｅ）をＰＣＭセルに印加すること、およびＰＣＭセルのコンダクタンスをインクリメンタルに増加させるために複数の部分的ＳＥＴパルスを印加することを含んでよい。

【0004】

本発明のこれらおよび他の目的、特徴ならびに利点は、添付図面に関連して読まれるべきである例示的な実施形態の以下の詳細な記載から明らかになるであろう。説明図は、詳細な記載と併せて、当業者が本発明を理解することを容易にする際に明確にするため、図面の様々な特徴は、縮尺通りではない。

【図面の簡単な説明】

【0005】

【図1】本発明の少なくとも１つの実施形態による相変化メモリ（ＰＣＭ）に用いられる相変化材料の相変化サイクルを示す。

【図2】本発明の少なくとも１つの実施形態によるＰＣＭシナプス・デバイスを示す電気回路図である。

【図3】現在の方法によるＰＣＭセルの実際の重み更新挙動を示すグラフである。

【図4】本発明の少なくとも１つの実施形態によるＰＣＭセルの目標とする重み更新挙動を示すグラフである。

【図5】本発明の少なくとも１つの実施形態による相変化更新プロセスを示す動作フローチャートである。

【図6A】本発明の少なくとも１つの実施形態によるＲＥＳＥＴパルス後のＰＣＭ「マッシュルーム」セルを描くダイアグラムである。

【図6B】本発明の少なくとも１つの実施形態によるプレアニーリングなしの部分的ＳＥＴパルス後のＰＣＭ「マッシュルーム」セルを描くダイアグラムである。

【図6C】本発明の少なくとも１つの実施形態によるプレアニーリングありの部分的ＳＥＴパルス後のＰＣＭ「マッシュルーム」セルを描くダイアグラムである。

【図7】本発明の少なくとも１つの実施形態による、ＲＥＳＥＴおよびインキュベーション・パルスをそれぞれ示すグラフである。

【図8】本発明の少なくとも１つの実施形態によるアニーリング・ステップありおよびなしの重み更新中のＰＣＭセルのコンダクタンスにおける変化を示すグラフである。

【図9A】本発明の少なくとも１つの実施形態による部分的ＳＥＴパルスを示すグラフである。

【図9B】本発明の少なくとも１つの実施形態によるプレアニーリング・コンポーネントありの部分的ＳＥＴパルスを示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0006】

請求される構造および方法の詳細な実施形態が本明細書に開示される。しかしながら、開示される実施形態は、様々な形態で具現されてよい請求される構造および方法を単に説明するに過ぎないと理解することができる。本発明は、しかしながら、多くの異なる形態で具現されてよく、本明細書に提示される例示的な実施形態に限定されると解釈すべきではない。本記載では、よく知られた特徴および技術の詳細は、提示される実施形態を不必要に曖昧にするのを避けるために省略されることがある。

【0007】

本発明の実施形態は、コンピューティングの分野に関し、より詳しくは相変化メモリに関する。以下に記載の例示的な実施形態は、ＲＥＳＥＴ電圧を修正すること、ポストＲＥＳＥＴアニーリング・パルスを印加すること、重み更新パルス幅および振幅を修正すること、および／またはプレアニーリング・パルスを重み更新パルスに加えることによって、とりわけ、重み更新の直線性および均一性を向上させるためのシステム、方法、およびプログラム製品を提供する。それゆえに、本実施形態は、ＰＣＭに印加された電気パルスがＰＣＭの抵抗／導電率を変化させる一貫性および精度を改善し、ＰＣＭセルが非晶質相と結晶質相との間の中間状態を達成することを可能にして、それにより各ＰＣＭセルが格納することが可能な情報の量を改善することによって、相変化メモリの技術分野を改良する能力を有する。

【0008】

先に記載されたように、相変化メモリ、またはＰＣＭは、低電気抵抗を有する秩序結晶質相と、高電気抵抗をもつ無秩序非晶質相との間で迅速に変化し得る半導体合金を利用する一種の不揮発性ランダム・アクセス・メモリであり、セルの相を識別するためにＰＣＭセルを通過する電流の抵抗を測定することができて、セルが情報のビットを格納し、メモリとして機能することを可能にする。ＰＣＭは、材料のいずれの相を維持するためにも電力が必要とされないため、不揮発である。ＰＣＭは、フラッシュ・メモリとＤＲＡＭとの間の性能ギャップを埋めるためのストレージ・クラス・メモリの強い候補となる可能性を有し、なかでも、速度およびスケーラビリティ、不揮発性、パワー消費量において強力な利益を提供することができる。

【0009】

相変化メモリの一利点は、ニューロモーフィック・コンピューティングにおけるその有望な用途である。ヒト脳は、２０ワット未満のパワー消費量で、ペタフロップス・マークを超える処理能力を提供し、結果として、エネルギー効率および体積の観点から最先端のスーパーコンピュータを数桁凌ぐ。従って、ヒト脳の機能性を再現するコグニティブ・コンピューティング・システムを構築すると、同等のパワーおよびエネルギー効率のコンピューティング・システムをもたらすことができる。しかしながら、ディープ・ニューラル・ネットワークの現在のハードウェア実装は、生物学的神経系の面積効率、ｉｎ ｓｉｔｕ学習、および不揮発性シナプス挙動を再生できない、従来のフォン・ノイマン・アーキテクチャに基づくため、依然として生物学的神経系の効率と競争することができない。相変化メモリは、それが小型でパワー効率がよく、情報をその抵抗／コンダクタンス状態に格納できるという点で、生物学的神経系を模倣する際に有望な、従来のフォン・ノイマン・アーキテクチャに代わるハードウェア選択肢である。しかしながら、ＰＣＭのようなデバイスに基づいてコグニティブ・ハードウェアを構築する際の中心となる考えは、シナプスの重みをそれらのコンダクタンス状態として格納すること、および関連する計算タスクをインプレースで行うことである。しかしながら、従来のＰＣＭは、現在、２つより多い可能なシナプスの重みを格納することができない。ＰＣＭの実装は、現在、情報を結晶質および非晶質状態に格納することが可能であるが、しかし、結晶質から非晶質状態へのコンダクタンスの展開およびその逆も、現在、非常に不正確であるため、情報を中間状態に信頼性高く格納することは可能でなく、ＰＣＭセルに印加された各パルスは、抵抗を一貫性のない予測不可能な量、変化させる。そのため、中間状態を信頼性高く達成することができない。かくして、ＰＣＭの分野は、ＰＣＭが生物学的シナプスの機能性および利点を実現することが可能となる前に、ＰＣＭセルのコンダクタンスを更新するより正確な方法を必要とする。

【0010】

ＰＣＭは、クロスポイント・アレイ・アーキテクチャにおいて可変抵抗としての役割を果たす可能性も有する。クロスポイント・アレイは、不揮発性抵抗メモリ素子がワード線とビット線との交点に置かれたメモリ・アーキテクチャであり、かかるアレイは、安定に高速動作し、高密度でセルサイズが小さい高速、ランダム・アクセス、不揮発性メモリを達成する可能性を有する。クロスポイント・アレイ内のマルチレベル・セル（ＭＬＣ）不揮発性抵抗メモリ素子におけるＰＣＭの使用は、クロスポイント・アレイをさらに改善すべく、なかでも、低パワー消費量および小型というＰＣＭ本来の利点をさらに付与する可能性を有する。しかしながら、ＰＣＭは、ＰＣＭがセットされ得る抵抗状態の幅および粒度の著しい改善なしにはクロスポイント・アレイ内のＭＬＣとしての使用に適せず、その使用には、ＰＣＭセルが中間抵抗状態を信頼性高く達成することを可能にするために、ＰＣＭセルのコンダクタンスを更新するより正確な方法が必要である。

【0011】

従来のアプローチの下では、ＰＣＭにおけるコンダクタンスの展開の正確な制御を確保することが極めて難しく、ＰＣＭが２つより多い状態を信頼性高く達成することを妨げて、神経学的コンピューティング・デバイスにおける、およびクロスポイント・アレイにおけるその用途を阻害する。かくして、とりわけ、ＰＣＭセルを調製して、各パルスが確実にＰＣＭセルの抵抗に均一な変化を生み出すように特別に較正されたパルスを印加することによって、コンダクタンスの展開の正確な制御を可能にし、それによりＰＣＭセルが、１つの状態から他の状態へＰＣＭセルを遷移させるために用いられるパルスの量と同様の粒度であってよいいくつかの中間相状態を達成することを可能にする、システムを実装することが有利であり得る。

【0012】

一実施形態によれば、本発明は、ＲＥＳＥＴ電圧を修正すること、ポストＲＥＳＥＴ形成アニーリング・パルスを印加すること、重み更新パルス幅および振幅を修正すること、および／またはプレアニーリング・パルスを加えることによって、相変化メモリ（ＰＣＭ）セルの重みを更新するための直線性およびステップの数を増加させる方法である。汎用の最適パルシング条件はなく、いずれのＰＣＭセルの重み更新挙動も、ＰＣＭセルの設計および用いられる相変化材料を含む、いくつかの要因によって決定される。かくして、重み更新挙動の直線性は、改善された直線性を生み出すべく重み更新挙動をチューニングするために、モデリングまたは実験結果を通じて明らかにされた重み更新挙動に応じて、ＰＣＭセルごとに、ＲＥＳＥＴ電圧、ポストＲＥＳＥＴ形成アニーリング・パルス、重み更新パルス、および／または重み更新パルスのプレアニーリング・コンポーネントの各々の個別の幅および振幅を修正することによってのみ改善することができる。

【0013】

少なくとも１つの実施形態によれば、本発明は、重み更新の直線性を向上させるためにＰＣＭセルに印加されるＲＥＳＥＴパルスを修正する方法である。ＲＥＳＥＴパルスは、ＰＣＭセルのプログラミング領域を溶融させて急冷し、それによって、それをそのＲＥＳＥＴレベルへ戻すためにＰＣＭセルに印加される電気パルスであってよく、ＲＥＳＥＴレベルは、ＰＣＭセルのその非晶質相における抵抗であってよい。ＰＣＭセルのＲＥＳＥＴパルスは、その幅または振幅を変化させることによって修正されてよい。パルスの幅は、パルスの前縁と後縁との間の時間の量であり、一方で振幅は、パルスの電流または電圧の最大量である。ＲＥＳＥＴパルスの振幅を増加させると、より非晶質化された材料をもたらし、ＰＣＭセルのプログラミング中に劇的に増加するプログラミング電流を誘起するために必要とされる電圧である、スイッチングに必要とされる閾値電圧を増加させる。逆に、ＲＥＳＥＴパルスの振幅を減少させると、より非晶質化されていない材料をもたらし、スイッチングに必要とされる閾値電圧を減少させる。ＲＥＳＥＴパルスの幅を増加させると、より非晶質化された材料、および熱伝導のためのより多くの時間をもたらし、逆にＲＥＳＥＴパルスの幅を減少させると、より非晶質化されていない材料、および熱伝導のためのより少ない時間をもたらす。一般に、直線性を向上させるには結晶化された材料のドームが小さい方が望ましいかもしれないが、しかし、ＲＥＳＥＴパルス振幅があまりに小さくなれば、溶融が発生しないであろう。かくして、ＲＥＳＥＴパルス振幅は、できるだけ小さいが、一方では溶融を依然として誘起する値でなければならない。

【0014】

ＲＥＳＥＴパルスを修正する目的は、後続の重み更新パルスがセルの抵抗により一貫性のある均一な変化を生み出すであろう状態にＰＣＭセルを置くことである。一例として、ＲＥＳＥＴパルスの振幅を減少させると、重み更新パルスによって生成される結晶化された材料の経路が同等のサイズであるような、非晶質化された材料のより小さいドームを生成することができて、ドームが一体的に結晶化されることを可能にし、変化の均一性を改善する。

【0015】

システムは、ＲＥＳＥＴパルスの幅および振幅を調整すること、ＲＥＳＥＴパルスをＰＣＭセルに印加すること、いくつかの重み更新パルスが印加された後にＰＣＭセルの抵抗を測定すること、およびそのいくつかのパルス後に測定された抵抗に応じて、重み更新パルスごとの抵抗変化が分散（ｖａｒｉａｎｃｅ）の閾値レベルを下回るまで、さらなる修正をＲＥＳＥＴパルスに加えることの反復プロセスを通じてＲＥＳＥＴパルスを修正してよい。分散は、最後のＲＥＳＥＴパルス以降に予め印加されたすべての重み更新パルスにわたって平均された、各重み更新パルス後のＰＣＭセルにおける抵抗変化の均一性を表す値であってよく、分散の閾値レベルは、中間状態を生成するために容認可能と考えられる抵抗変化の間の分散の最大レベルであってよい。システムが、一旦、分散の閾値レベルを下回る分散のレベルをもたらすＲＥＳＥＴパルスを生成すると、システムは、将来のＲＥＳＥＴパルスに適用するためにそのＲＥＳＥＴパルスのパラメータを格納してよい。

【0016】

少なくとも１つの実施形態によれば、本発明は、重み更新の直線性を向上させるために、ＲＥＳＥＴパルス後にインキュベーション・パルスを印加する方法である。ＰＣＭに用いられる相変化材料は、電気パルスに応答して相を変化させる材料であり、結晶成長が発生し得る前に相変化材料に導入されなければならないエネルギーの量を表すインキュベーション時間を有する。インキュベーション時間は、ＲＥＳＥＴ後に、結晶成長へのエネルギー障壁が克服されて、コンダクタンスにおける増加を検出できる前に相変化材料に印加されなければならない重み更新パルスの数と相関する。言い換えれば、インキュベーション時間が長いほど、コンダクタンスまたは抵抗に何らかの測定可能な変化がある前にＰＣＭセルに印加されなければならない重み更新パルスの数が多い。インキュベーション時間は、従って、重み更新パルスが抵抗／導電率に対して測定可能な効果を有さない期間を持ち込むことによって、重み更新パルスがＰＣＭセルの抵抗／導電率を変化させる均一性を低下させて、所与のコンダクタンス／抵抗に到達するために必要とされるパルスの総数を増加させる。ＲＥＳＥＴパルスが印加された後にインキュベーション・パルスを印加することによって、インキュベーション時間を短縮させて、抵抗／導電率が測定可能に変化する前に必要な重み更新パルスの数を減少させることができる。インキュベーション・パルスは、ＰＣＭセルをアニールし、大量の核の形成を引き起こして、結晶成長に対するエネルギー障壁を克服し、後続の重み更新パルスがＰＣＭのコンダクタンス／抵抗に測定可能な変化を直ちに生み出すことを可能にする長持続時間、低パワーのパルスであってよい。

【0017】

少なくとも１つの実施形態によれば、本発明は、重み更新の直線性を向上させるために重み更新パルスの幅および振幅を修正する方法である。重み更新パルスは、部分的ＳＥＴパルスとも呼ばれてよく、ＳＥＴパルスは、相変化材料を結晶化させることによってＰＣＭをその非晶質状態からその結晶質状態へ変化させる長持続時間、低パワーの電子パルスである。しかしながら、ＳＥＴパルスを、部分的ＳＥＴパルスまたは重み更新パルスと呼ばれる、一連のより小さいパルスに分割することができて、これらのより小さいパルスは、ＰＣＭのコンダクタンス、および結晶質状態へのその進行を、１つのパルスで遷移を完了するのではなく、少量でインクリメントする。これらの重み更新パルスは、パルスの幅および振幅を変化させることによって修正することができる。振幅を増加させると、抵抗／導電率変化の勾配を増加させて、インキュベーション時間を減少させることができる。しかしながら、振幅が高すぎれば、直線性が低下する。電流が高すぎれば、溶融に続いて急冷が発生することになり、導電率を減少させる。電流が低すぎれば、結晶化がないことになり、抵抗／導電率が変わらないであろう。かくして、最も高い直線性を生み出すためには振幅が半ばに入らなければならない。同様に、幅が小さすぎれば、結晶化が発生するのに十分な時間がないことになり、抵抗／導電率に変化をもたらさず、そして幅が大きすぎれば、あまりに多くの材料が結晶化し、抵抗／導電率に大きな急上昇をもたらして、結晶質相に到達する前の重み更新パルスの数を削減し、それが、可能な中間状態の数を減少させる。かくして、幅は、所望されるよりも少ない中間状態を可能にするほど大きくはなく、結晶化を誘起するのにちょうど十分に大きい半ばに入らなければならない。

【0018】

システムは、重み更新パルスの幅および振幅を調整すること、調整された重み更新パルスをＰＣＭセルに印加すること、およびいくつかの重み更新パルスが印加された後にＰＣＭセルのコンダクタンス／抵抗を測定すること、ならびにそのいくつかのパルス後に測定された抵抗に応じて、重み更新パルスごとの抵抗変化が均一性または直線性の閾値レベルを超えるまで、さらなる修正を重み更新パルスに加えることの反復プロセスを通じて重み更新パルスを修正してよい。均一性は、各重み更新パルス後のＰＣＭセルにおける抵抗変化の分散の尺度であってよく、均一性の閾値レベルは、中間状態を生成するために十分と考えられるコンダクタンス／抵抗変化の間の分散の最大レベルであってよい。システムが、一旦、分散の閾値レベルを下回る分散のレベルをもたらす重み更新パルスを生成すると、システムは、将来の重み更新パルスに適用するためにその重み更新パルスのパラメータを格納することができる。

【0019】

少なくとも１つの実施形態によれば、本発明は、重み更新の直線性を向上させるためにプレアニーリング・コンポーネントを重み更新パルスに加える方法である。ＳＥＴパルスと比較してより小さく、よりインクリメンタルな重み更新パルスの特質ゆえに、重み更新パルスが、時には、材料の閾値スイッチングを始動するのに失敗しかねず、電流の経路は形成されるかもしれないが成長せず、その結果、いくつかの重み更新パルスが、ＰＣＭセルの抵抗／導電率に対して測定可能な効果を生み出すことに失敗することがある。これが導電率変化の均一性／直線性を低下させる。アニーリング・コンポーネントを各重み更新パルスに追加することによって、生成されるべき最初の経路が成長することになり、重み更新パルスがＰＣＭセルの抵抗／導電率に対して測定可能な効果を生み出すことに失敗するであろう確からしさを低減する。アニーリング・コンポーネントは、短持続時間、より高いパワーの重み更新パルスの直前に先行する、長持続時間、低パワーのパルスであってよく、その幅および振幅は、例えば、実験結果に基づいて、重み更新の直線性を向上させるように注意深く選ばれる。

【0020】

当業者は、本発明の実施形態が、重み更新の直線性を改善するためにＰＣＭセルの相を変化させる一般的なプロセスに適用される、修正されたＲＥＳＥＴパルス、ポストＲＥＳＥＴインキュベーション・パルス、および／または重み更新パルスに追加されたプレアニーリング・コンポーネントのいずれかの組み合わせを備えてよいことを理解することができる。

【0021】

本発明は、いずれか可能な技術的に詳細な統合レベルにおけるシステム、方法、および／またはコンピュータ・プログラム製品であってよい。コンピュータ・プログラム製品は、本発明の態様をプロセッサに実施させるためのコンピュータ可読プログラム命令をその上に有する（１つもしくは複数の）コンピュータ可読ストレージ媒体を含んでよい。

【0022】

コンピュータ可読ストレージ媒体は、命令実行デバイスによる使用のための命令を保持して格納できる有形のデバイスとすることができる。コンピュータ可読ストレージ媒体は、例えば、以下には限定されないが、電子ストレージ・デバイス、磁気ストレージ・デバイス、光ストレージ・デバイス、電磁ストレージ・デバイス、半導体ストレージ・デバイス、または前述のものの任意の適切な組み合わせであってよい。コンピュータ可読ストレージ媒体のより具体的な例の非網羅的なリストは、ポータブル・コンピュータ・ディスケット、ハード・ディスク、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）、リード・オンリ・メモリ（ＲＯＭ）、消去可能プログラマブル・リード・オンリ・メモリ（ＥＰＲＯＭまたはフラッシュ・メモリ）、スタティック・ランダム・アクセス・メモリ（ＳＲＡＭ）、ポータブル・コンパクト・ディスク・リード・オンリ・メモリ（ＣＤ－ＲＯＭ）、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）、メモリ・スティック、フレキシブル・ディスク、パンチ・カードもしくはその上に記録された命令を有する溝中の隆起構造のような機械的にコード化されたデバイス、および前述のものの任意の適切な組み合わせを含む。コンピュータ可読ストレージ媒体は、本明細書では、それ自体が一時的な信号、例えば、電波または他の自由伝搬する電磁波、導波路もしくは他の伝送媒体を通って伝搬する電磁波（例えば、光ファイバ・ケーブルを通過する光パルス）、あるいは線を通って伝送される電気信号であると解釈されるべきではない。

【0023】

本明細書に記載されるコンピュータ可読プログラム命令を、コンピュータ可読ストレージ媒体からそれぞれのコンピューティング／処理デバイスへ、あるいはネットワーク、例えば、インターネット、ローカル・エリア・ネットワーク、ワイド・エリア・ネットワークおよび／またはワイヤレス・ネットワークを介して外部コンピュータもしくは外部ストレージ・デバイスへダウンロードすることができる。ネットワークは、銅伝送ケーブル、光伝送ファイバ、ワイヤレス伝送、ルータ、ファイヤウォール、スイッチ、ゲートウェイ・コンピュータおよび／またはエッジ・サーバを備えてよい。各コンピューティング／処理デバイス中のネットワーク・アダプタ・カードまたはネットワーク・インターフェースは、コンピュータ可読プログラム命令をネットワークから受信して、コンピュータ可読プログラム命令をそれぞれのコンピューティング／処理デバイス内のコンピュータ可読ストレージ媒体中に格納するために転送する。

【0024】

本発明のオペレーションを実施するためのコンピュータ可読プログラム命令は、アセンブラ命令、命令セット・アーキテクチャ（ＩＳＡ）命令、マシン命令、マシン依存命令、マイクロコード、ファームウェア命令、状態設定データ、集積回路のための構成データ、あるいはＳｍａｌｌｔａｌｋ、Ｃ＋＋、または同様のもののようなオブジェクト指向プログラミング言語、ならびに「Ｃ」プログラミング言語または同様のプログラミング言語のような、手続き型プログラミング言語を含めて、１つ以上のプログラミング言語の任意の組み合わせで書かれたソース・コードまたはオブジェクト・コードのいずれかであってよい。コンピュータ可読プログラム命令は、全体的にユーザのコンピュータ上で、部分的にユーザのコンピュータ上で、スタンド・アローンのソフトウェア・パッケージとして、部分的にユーザのコンピュータ上かつ部分的にリモート・コンピュータ上で、あるいは全体的にリモート・コンピュータまたはサーバ上で実行してよい。後者のシナリオでは、リモート・コンピュータは、ローカル・エリア・ネットワーク（ＬＡＮ）またはワイド・エリア・ネットワーク（ＷＡＮ）を含む、いずれかのタイプのネットワークを通してユーザのコンピュータへ接続されてもよく、あるいは（例えば、インターネット・サービス・プロバイダを用いてインターネットを通して）外部コンピュータへ接続が行われてもよい。いくつかの実施形態においては、本明細書の態様を行うために、例えば、プログラマブル・ロジック回路、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、またはプログラマブル・ロジック・アレイ（ＰＬＡ）を含む電子回路が、コンピュータ可読プログラム命令の状態情報を利用して電子回路をパーソナライズすることによってコンピュータ可読プログラム命令を実行してよい。

【0025】

本発明の態様は、本発明の実施形態による方法、装置（システム）、およびコンピュータ・プログラム製品のフローチャート説明図および／またはブロック・ダイアグラムを参照して記載される。フローチャート説明図および／またはブロック・ダイアグラムの各ブロック、ならびにフローチャート説明図および／またはブロック・ダイアグラムにおけるブロックの組み合わせをコンピュータ可読プログラム命令によって実装できることが理解されるであろう。

【0026】

これらのコンピュータ可読プログラム命令は、コンピュータまたは他のプログラマブル・データ処理装置のプロセッサを介して実行する、それらの命令が、フローチャートおよび／またはブロック・ダイアグラムの１つもしくは複数のブロックにおいて指定された機能／作用を実装するための手段を生成するような、マシンを生み出すためにコンピュータ、または他のプログラマブル・データ処理装置のプロセッサに提供されてよい。これらのコンピュータ可読プログラム命令は、コンピュータ可読ストレージ媒体に格納されてもよく、これらのプログラム命令は、その中に格納された命令を有するコンピュータ可読ストレージ媒体が、フローチャートおよび／またはブロック・ダイアグラムの１つもしくは複数のブロックにおいて指定された機能／作用の態様を実装する命令を含む製造品を備えるような、特定の仕方で機能するようにコンピュータ、プログラマブル・データ処理装置、および／または他のデバイスに命令することができる。

【0027】

コンピュータ可読プログラム命令は、コンピュータ、他のプログラマブル装置、または他のデバイス上で実行する命令が、フローチャートおよび／またはブロック・ダイアグラムの１つもしくは複数のブロックにおいて指定された機能／作用を実装するような、コンピュータ実施プロセスを生み出すために、一連の動作ステップがコンピュータ、他のプログラマブル装置または他のデバイス上で行われるようにするためにコンピュータ、他のプログラマブル・データ処理装置、または他のデバイス上へロードされてもよい。

【0028】

図中のフローチャートおよびブロック・ダイアグラムは、本発明の様々な実施形態によるシステム、方法、およびコンピュータ・プログラム製品の実装可能のアーキテクチャ、機能性、およびオペレーションを示す。この点において、フローチャートまたはブロック・ダイアグラム中の各ブロックは、指定された論理機能（単数または複数）を実装するための１つ以上の実行可能な命令を備える、モジュール、セグメント、または命令の一部を表してよい。いくつかの代わりの実装では、ブロック中に記された機能が図中に記された以外の順序で発生してよい。例えば、含まれる機能性によっては、連続して示される２つのブロックが、実際には、１つのステップとして達成されてもよく、同時に、実質的に同時に、部分的または全体的に時間的に重なる仕方で実行されてもよく、または複数のブロックがときには逆の順序で実行されてもよい。ブロック・ダイアグラムおよび／またはフローチャート説明図の各ブロック、ならびにブロック・ダイアグラムおよび／またはフローチャート説明図におけるブロックの組み合わせを、指定された機能または作用を行う、あるいは専用ハードウェアとコンピュータ命令との組み合わせを実施する専用ハードウェア・ベース・システムによって実装できることにも気付くであろう。

【0029】

以下に記載の例示的な実施形態は、ＲＥＳＥＴ電圧を修正すること、ポストＲＥＳＥＴアニーリング・パルスを印加すること、重み更新パルス幅および振幅を修正すること、および／またはプレアニーリング・パルスを重み更新パルスに加えることによって、重み更新の直線性および均一性を向上させるためのシステム、方法、およびプログラム製品を提供する。

【0030】

次に、図１を参照すると、本発明の少なくとも１つの実施形態による相変化メモリ（ＰＣＭ）に用いられる相変化材料１０２の相変化サイクル１００が描かれる。ここで、相変化材料１０２は、異なる電気抵抗率値をもつ少なくとも２つの相状態で存在することが可能であり、かつそれらの状態間で迅速に繰り返して遷移することが可能な、カルコゲナイド・ガラスのような、いずれかの材料であってよい。これらの状態は、結晶質状態１０４、および非晶質状態１０６を含んでよい。結晶質状態１０４は、相変化材料の構成原子の微視的な配列が３次元空間の主方向に沿って繰り返す、格子のような、対称なパターンを備える状態である。結晶質状態１０４は、ＳＥＴ状態と呼ばれてよく、２進法の１を表してよい。結晶質状態１０４は、非晶質状態１０６と比較して低抵抗率かつ高コンダクタンスをもち、その結晶質状態１０４における相変化材料１０２の抵抗率値は、ＰＣＭのＳＥＴレベルまたは抵抗率と呼ばれてよい。非晶質状態１０６は、相変化材料の構成原子が無秩序であり、結晶質状態１０４における原子の長距離繰り返しパターンが欠如している状態である。非晶質状態１０６は、ＲＥＳＥＴ状態と呼ばれてよく、２進法の０を表してよい。その非晶質状態における相変化材料１０２は、結晶質状態１０４と比較して高抵抗率値をもち、この抵抗率値は、ＰＣＭのＲＥＳＥＴレベルまたは抵抗率と呼ばれてよい。

【0031】

相変化材料１０２は、相変化材料を加熱するために電極によって電流が相変化材料１０２を通過する、ジュール加熱を用いて相間で遷移してよい。相変化材料１０２は、溶融急冷１０８と称されるプロセスを通じて結晶質状態１０４から非晶質状態１０６へ遷移してよい。溶融急冷（ｍｅｌｔ－ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ）１０８は、相変化材料１０２を溶融してその構成原子の秩序を低下させるために、溶融パルスまたはＲＥＳＥＴパルスと称される、短持続時間、高パワーのパルスを印加することを伴ってよい。相変化材料１０２は、アニーリング１１０と称されるプロセスを通じて非晶質状態１０６から結晶質状態１０４へ遷移してよい。アニーリング１１０は、相変化材料１０２を徐々に加熱して結晶化させるために、アニーリング・パルスまたはＳＥＴパルスと称される、長持続時間、低パワーのパルスを印加することを伴ってよい。

【0032】

アニーリング・プロセス１１０は、溶融急冷プロセス１０８とは違って、部分的ＳＥＴパルスまたは重み更新パルスと称される、一連の小さいアニーリング・パルスによって達成することができて、これらのパルスは、相変化材料１０２のエネルギー障壁を低減するか、またはいくらかの量の結晶成長を引き起こして、相変化材料１０２の抵抗および導電率に測定可能な変化をもたらす、より小さいＳＥＴパルスであってよい。部分的ＳＥＴパルスを相変化材料１０２に印加するプロセスは、本明細書では重み更新と呼ばれる。部分的ＳＥＴパルスに続く相変化材料１０２の非晶質状態１０６と結晶質状態１０４との間の結晶成長における各インクリメンタルな増加は、一意的な抵抗率または導電率値をもつ、相変化材料１０２の別個の中間相状態を表してよい。

【0033】

次に、図２を参照すると、本発明の少なくとも１つの実施形態によるＰＣＭシナプス・デバイス２００を示す電気回路図が描かれる。ここでは、相変化メモリ（ＰＣＭ）セル２０２が、例えば、ニューラル・ネットワーク内のシナプスのアレイとして機能するメモリ・アレイ中に集積化されて描かれる。ＰＣＭセル２０２は、一端ではビット線２０４へ接続され、他端では一対のアクセス・トランジスタへ接続されて、それらのアクセス・トランジスタが、次には、ワード線２０８および出力線２１０へ接続される。ＰＣＭセル２０２は、図６Ａに関して以下にさらに示されてよい。

【0034】

次に、図３を参照すると、ＰＣＭセル２０２の実際の重み更新挙動を示すグラフ３００が描かれる。ここで、Ｙ軸３０２は、相変化材料１０２の導電率を表し、一方でＸ軸３０４は、相変化材料１０２に印加された部分的ＳＥＴパルスの数を表す。ライン３１０は、ＲＥＳＥＴレベル３０６とＳＥＴレベル３０８との間の相変化材料１０２の導電率と、相変化材料１０２に印加された部分的ＳＥＴパルスの数との間の関係を表す。ライン３１０は、現在の重み更新方法の下での重み更新挙動を表し、それは、不規則かつ非直線的であり、各パルス後のＰＣＭセル２０２の導電率に不均一な変化を生み出す。

【0035】

次に、図４を参照すると、本発明の少なくとも１つの実施形態によるＰＣＭセル２０２の理想的な重み更新挙動４００を示すグラフが描かれる。ここで、Ｙ軸３０２は、相変化材料１０２の導電率を表し、一方でＸ軸３０４は、相変化材料１０２に印加された部分的ＳＥＴパルスの数を表す。ライン４０２は、ＲＥＳＥＴレベル３０６とＳＥＴレベル３０８との間の相変化材料１０２の導電率と、相変化材料１０２に印加された部分的ＳＥＴパルスの数との間の関係を表す。ライン４０２は、現発明の実施形態が達成またはアプローチしてよい理想的な重み更新挙動を表し、相変化材料１０２のコンダクタンスは、各部分的ＳＥＴパルスとともに均一に変化し、中間相状態、ひいては、中間メモリ状態をサポートする滑らかで直線的な重み更新をもたらす。

【0036】

次に、図５を参照すると、少なくとも１つの実施形態による相変化更新プロセス５００を示す動作フローチャートが描かれる。５０２において、システムは、相変化メモリ（ＰＣＭ）セル２０２を非晶質化させるためにＲＥＳＥＴパルスを印加する。ここで、ＲＥＳＥＴパルスの幅および振幅は、将来の部分的ＳＥＴパルスがＰＣＭセル２０２の導電率／抵抗に対してより一貫性のある効果を生み出すようにＰＣＭセル２０２を調製するために特別に定式化されてよい。ＲＥＳＥＴパルスの幅および振幅は、ＰＣＭセル２０２内に、ある体積の非晶質化された材料、スイッチングに必要とされる閾値電圧、および均一かつ一貫性のある結晶成長を促進する熱伝導時間を生み出すようにチューニングされてよい。ＲＥＳＥＴパルスの振幅は、ＰＣＭセル２０２のインキュベーション時間を短縮して、結晶成長へのエネルギー障壁を克服し、相変化材料１０２のコンダクタンス／抵抗率に測定可能な変化を生み出すために必要な部分的ＳＥＴパルスの数を削減するようにチューニングされてもよい。

【0037】

５０４において、システムは、低パワー、長持続時間のアニーリング・パルスをＰＣＭセルに印加する。ここで、ポストＲＥＳＥＴアニーリング・パルス、またはインキュベーション・パルスは、ＲＥＳＥＴパルス後に印加される長持続時間、低パワーのパルスであってよく、幅および振幅は、インキュベーション・パルスが結晶成長に対するエネルギー障壁を克服するためにちょうど十分なエネルギーを相変化材料に導入するように、相変化材料のインキュベーション時間に基づいて特別に較正される。エネルギー障壁を克服して、大量の核の形成を引き起こすことによって、インキュベーション・パルスは、将来の部分的ＳＥＴパルスによって導入されるすべてのエネルギーが、エネルギー障壁の克服ではなく、むしろ結晶成長に貢献して、ＰＣＭセル２０２のコンダクタンス／抵抗に直ちに測定可能な変化をもたらすことを可能にする。インキュベーション・パルスは、図７および８に関して以下にさらに示されてよい。

【0038】

５０６において、システムは、ＰＣＭセルのコンダクタンスを徐々に増加させるためにいくつかの部分的ＳＥＴパルスを印加する。部分的ＳＥＴパルスは、短持続時間で、ＳＥＴパルスのパワーより低パワーのパルスであってよい。ここで、部分的ＳＥＴパルスの幅および振幅は、ＰＣＭセル２０２の導電率／抵抗に対して一貫性のある効果を生み出すために特別に定式化されてよい。部分的ＳＥＴパルスの振幅は、電流が、溶融急冷を誘起するほど高くもなく、結晶化を誘起するのに低すぎることもないように、そしてそれらのパルスが、図４に示されるような直線的な重み更新を生み出すのに十分な導電率の変化とパルスの数との比を維持するようにチューニングされてよい。部分的ＳＥＴパルスの幅は、持続時間が、結晶化を誘起するのに短すぎることもなく、あまりに多くの材料が結晶化されて、あまりに急速に飽和に到達するほど長くもないようにチューニングされてよい。部分的ＳＥＴパルスは、図６Ｂおよび９Ａに関して以下にさらに示されてよい。

【0039】

５０８において、システムは、所望のコンダクタンスに到達したかどうかを判定してよい。所望のコンダクタンスは、例えば、結晶質状態と、もしくは所望の中間状態と対応する、ＰＣＭセルの特定の状態と関連付けられたコンダクタンスであってよい。本発明のいくつかの実施形態において、システムは、むしろ、パルスの所望の数に到達したかどうかを判定してよく、パルスの所望の数は、ＰＣＭセルの特定の状態と関連付けられたパルスの数であってよい。システムは、各パルスが印加された後に、読み取りパルスをＰＣＭセルに印加することによってコンダクタンスを決定してよい。一実装によれば、システムが、所望のコンダクタンスに到達しなかったと判定すれば（ステップ５０８、「ＮＯ」分岐）、システムは、コンダクタンスがパルスの数と直線的に対応するかどうかを判定するためにステップ５１０へ進んでよい。システムが、所望のコンダクタンスに到達したと判定すれば（ステップ５０８、「ＹＥＳ」分岐）、そのときにはＰＣＭセルが所望のコンダクタンスに設定されており、システムは、プロセスを完了してよい。

【0040】

５１０において、システムは、コンダクタンスがパルスの数と直線的に対応するかどうかを判定してよい。システムは、抵抗変化の間の分散のレベルを決定するために、ステップ５０８において測定されたコンダクタンスをステップの数に対して比較してよい。分散は、最後のＲＥＳＥＴパルス以降のすべての印加パルスにわたって平均された分散であってよい。変動が、次に、分散の閾値レベルに対して比較されてよく、この閾値レベルは、中間状態を生成することを可能にするのに十分に均一と考えられる抵抗変化の間の分散の最大レベルであってよい。変動が分散の閾値を超えれば（ステップ５１０、「ＮＯ」分岐）、システムは、相変化メモリ（ＰＣＭ）セルを非晶質化させるべくＲＥＳＥＴパルスを印加するためにステップ５０２へ進んでよく、ＰＣＭセルを基本的にリセットして、プロセスを新たに開始する。本発明のいくつかの実施形態において、システムは、次のパス上の重み更新の均一性を改善するために、ＲＥＳＥＴパルス、インキュベーション・パルス、および／または部分的ＳＥＴパルスの幅および／または振幅を修正してよい。システムが、変動が分散の閾値を下回ると判定すれば（ステップ５０８、「ＹＥＳ」分岐）、そのときにはシステムは、ＰＣＭセルのコンダクタンスをインクリメンタルに増加し続けるべく複数の部分的ＳＥＴパルスをＰＣＭに印加するために、ステップ５０６へ移動してよい。

【0041】

本発明のいくつかの実施形態において、プレアニーリング・コンポーネントが部分的ＳＥＴパルスに加えられてよい。プレアニーリング・コンポーネントは、通常の部分的ＳＥＴパルスの短持続時間、比較的より高パワーのパルスの直前に先行する、長持続時間、低パワーのパルスであってよい。アニーリング・コンポーネントは、部分的ＳＥＴパルスが、閾値スイッチングと、ＰＣＭセル２０２の抵抗／導電率に測定可能な変化を引き起こすのに十分な結晶成長とを誘起する機会を改善するために、幅および振幅がチューニングされてよい。閾値スイッチングは、特定の閾値電圧より高い電圧が非晶質相における相変化材料に印加されたときに、結果として生じる大きい電界が、電気導電率を大幅に増加させる現象を指してよい。この導電率の増加のゆえに、より大きい電流が相変化材料に印加されてよく、相変化材料に温度増加をもたらして、それが、次には、結晶化または溶融のいずれかにつながり得る。アニーリング・コンポーネントありの部分的ＳＥＴパルスは、図６Ｃおよび９Ｂに関して以下にさらに示されてよい。

【0042】

次に、図６Ａを参照すると、本発明の少なくとも１つの実施形態によるＲＥＳＥＴパルス後のＰＣＭ「マッシュルーム」セル２０２を示すダイアグラム６００が描かれる。ここで、ＰＣＭセル２０２は、相変化材料１０２の層を備え、その層が、次には、プログラミング領域６０２を備えて、プログラミング領域６０２は、上部電極６０４および下部電極６０６によって印加されたプログラミング・パルスに応答して相を変化させる相変化材料１０２の領域であってよい。プログラミング・パルスは、以下には限定されないが、ＳＥＴパルス、部分的ＳＥＴパルス、ＲＥＳＥＴパルス、およびインキュベーション・パルスを含めて、相変化材料１０２の相を変化させるプロセスの一部としてそれに印加されるいずれかのパルスであってよい。プログラミング領域６０２のサイズ、および相状態がプログラミング・パルスによって修正される相変化材料１０２の体積は、プログラミング・パルスの振幅に基づいて増加または減少してよい。

【0043】

次に、図６Ｂを参照すると、本発明の少なくとも１つの実施形態によるプレアニーリングなしのＰＣＭ「マッシュルーム」セル２０２を示すダイアグラム６００が描かれる。ここで、システムは、徐々の結晶化を誘起するために部分的ＳＥＴパルスをＰＣＭセル２０２に印加しており、プログラミング領域６０２を通じて様々な細い結晶化された電流経路６０８が結果として形成される。部分的ＳＥＴパルスは、プレアニーリング・コンポーネントがないと、既存の電流経路６０８を成長させるのではなく、むしろプログラミング領域６０２を通じて電流の新しい経路を形成する機会を有し、新しい電流経路を形成することと、既存の電流経路６０８を成長させることとでは、ＰＣＭセル２０２の抵抗／導電率に異なる量の変化を引き起こして、一貫性のない重み更新挙動をもたらす。

【0044】

次に、図６Ｃを参照すると、本発明の少なくとも１つの実施形態によるプレアニーリングありのＰＣＭ「マッシュルーム」セル２０２を示すダイアグラム６００が描かれる。ここで、システムは、プレアニーリング・コンポーネントありで部分的ＳＥＴパルスをＰＣＭセル２０２に印加しており、プログラミング領域６０２を通じて結晶質経路６１０を生成するパルスをもたらし、結晶質経路６１０が、次に、後続のパルスによって拡大されて、エネルギーは、それゆえに新しい経路を形成することに浪費されずに、ほとんどが結晶構造を成長させるために適用されて、より一貫性のある重み更新挙動をもたらす。

【0045】

次に、図７を参照すると、本発明の少なくとも１つの実施形態による、それぞれ、ＲＥＳＥＴパルスおよびインキュベーション・パルスを示すグラフ７００が描かれる。ここで、Ｙ軸７０２は、ＰＣＭセル２０２のプログラミング電流を表し、一方でＸ軸７０４は、時間を表す。棒７０６は、ＲＥＳＥＴパルスの間のＰＣＭセル２０２の電流を表し、一方で棒７０８は、インキュベーション・パルスの間のＰＣＭセル２０２の電流を表す。ＲＥＳＥＴパルスは、インキュベーション・パルスと比較してより高い電流を生じさせるが、インキュベーション・パルスは、ＲＥＳＥＴパルスよりはるかに長い。インキュベーション・パルスは、結晶成長に対するエネルギー障壁に基づいてよく、異なる相変化材料は、結晶成長に対する異なるエネルギー障壁を有し、そのため、インキュベーション・パルスの振幅は、相変化材料のエネルギー障壁に合うようにチューニングされなければならない。

【0046】

次に、図８を参照すると、本発明の少なくとも１つの実施形態によるアニーリング・ステップありおよびなしの重み更新中のＰＣＭセル２０２のコンダクタンスにおける変化を示すグラフ８００が描かれる。ここで、Ｙ軸８０２は、ＰＣＭセル２０２のコンダクタンスを表し、一方でＸ軸８０４は、ＰＣＭセル２０２に印加された部分的ＳＥＴパルスの数を表す。ライン８０６は、ＰＣＭセル２０２のコンダクタンスと、前に印加されるインキュベーション・パルスなしでＰＣＭセル２０２に印加されたパルスの数との関係を表す。ライン８０８は、ＰＣＭセル２０２のコンダクタンスと、前に印加されるインキュベーション・パルスありでＰＣＭセル２０２に印加されたパルスの数との関係を表し、ライン８０６およびライン８０８の両方から、ＰＣＭセル２０２の導電率に測定可能な変化がある前にいくつかのパルスがＰＣＭセル２０２に印加されなければならないことが窺えるが、しかし、インキュベーション・パルスが印加されたケースでは、導電率に測定可能な変化を引き起こすことができない数個のパルスをインキュベーション・パルスが省くので、ＰＣＭセル２０２の導電率に測定可能な変化を生成するために必要なパルスの数はより少ない。

【0047】

次に、図９Ａを参照すると、本発明の少なくとも１つの実施形態による部分的ＳＥＴパルスを示すグラフ９００が描かれる。ここで、Ｙ軸９０２は、ＰＣＭセル２０２の電流を表し、一方でＸ軸９０４は、時間を表す。棒９０６は、部分的ＳＥＴパルスの間のＰＣＭセル２０２の電流を表す。重み更新プロセス中にＰＣＭセル２０２に印加されるすべてのパルスが部分的ＳＥＴパルスであってよく、部分的ＳＥＴパルスは、均一な幅および振幅であってよく、および／または均一な時間インターバルで印加されてよい。

【0048】

次に、図９Ｂを参照すると、本発明の少なくとも１つの実施形態によるプレアニーリング・コンポーネントありの部分的ＳＥＴパルスを示すグラフ９００が描かれる。ここで、Ｙ軸９０２は、ＰＣＭセル２０２の電流を表し、一方でＸ軸９０４は、時間を表す。棒９０８は、部分的ＳＥＴパルスのプレアニーリング・コンポーネントの間のＰＣＭセル２０２の電流を表し、一方で棒９０６は、元の部分的ＳＥＴパルスと対応するコンポーネントの電流を表し、元の部分的ＳＥＴパルスと対応するコンポーネントは、別の状況で重み更新プロセス中に印加される部分的ＳＥＴパルスと同じ幅および振幅を備えるパルスであってよい。プレアニーリング・コンポーネントおよび元の部分的ＳＥＴパルスと対応するコンポーネントが、単一の複合的な部分的ＳＥＴパルスへ組み合わされてよい。重み更新プロセス中にＰＣＭセル２０２に印加されるすべてのパルスが複合的な部分的ＳＥＴパルスであってよく、その複合的な部分的ＳＥＴパルスが、均一な時間インターバルで印加されてもよく、および／または均一な幅および振幅のプレアニーリング・コンポーネントならびに元の部分的ＳＥＴパルス・コンポーネントを有してもよい。

【0049】

図１～９は、一実装の説明図のみを提供し、どのように異なる実施形態が実装されてよいかに関していかなる限定も示唆しないことが認識されてよい。設計および実装要件に基づいて、示された実施形態に多くの修正が行われてよい。

【0050】

本発明の様々な実施形態の記載が説明のために提示されたが、これらの記載は、網羅的であることも、または開示された実施形態に限定されることも意図されない。記載される実施形態の範囲から逸脱することなく、多くの変更および変形が当業者に明らかであろう。本明細書に用いられる用語法は、実施形態の原理、実用用途または市場に見られる技術を超える技術的改良を最もよく説明するために、あるいは本明細書に開示される実施形態を他の当業者が理解することを可能にするために選ばれた。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図6C】

【図7】

【図8】

【図9A】

【図9B】

【国際調査報告】