包括可作为剂量计操作的单元部分的数据存储装置及操作数据存储装置的方法与流程

本公开涉及一种数据存储装置、一种电子设备以及一种操作数据存储装置的方法。本专利申请要求德国专利申请102020126995.1的优先权，其公开内容通过引用并入本文。

背景技术：

1、几十年来，存储器技术已经成功地缩小了规模，以更低的位成本实现了更高的速度和更高的存储芯片密度。电子器件中的电路可靠性的问题总是与集成一起进行。事实上，技术降级恰恰受限于可靠性问题本身。在辐射活跃环境中，以可靠性为导向的设计可能显得更为重要并需要特别的关注。存储器当然也不例外，因为它们是几乎每个电子系统的核心部分。因此它们必须承受同样的环境。历来有许多解决方案可以强化非易失性存储器，这取决于所考虑的应用，从使用创新材料到智能布局技术，直到纠错编码和电路冗余的更高级解决方案。此外，存储器结构历来也被用作剂量计，特别是对于那些利用电荷对总电离剂量(tid)的内在敏感性的基于电荷的结构。

2、两个问题是绑定在一起的，即一方面具有耐辐射设计，另一方面知晓系统的磨损水平。现有技术的解决方案要么涉及用来控制存储器磨损的相当复杂的结构，要么将单独的独立块组合在一起，然后通过更高的抽象层进行交互。此外，此类解决方案要么缺乏定义有效存储器磨损的精度(例如与存储器设备相比，剂量计是否具有不同的技术或材料)，要么需要对存储器进行全面扫描以评估损坏程度。

3、图9示出了现有技术数据存储装置的实施例。所述设备能用作基于cmos的非易失性存储器架构。这种存储器包括控制逻辑块100、列控制和数据缓冲块200、行控制块300和存储器阵列块400。控制块100包括参考电流源，所述参考电流源提供参考电流iref，例如，用于与单端位单元结构和驱动存储器架构的逻辑件进行直接比较的“读取”存储器访问操作。块200包括数据缓冲器、输出驱动器和存储器阵列的常用列控制。在行控制块300中，存在字行驱动器和存储器阵列的常用行控制。存储器阵列块400包括用来存储信息的存储器位单元的阵列。

4、存储器访问操作能实现为单端架构或差分架构。例如，在单端架构中，“读取”操作通常在块200的数据缓冲块中进行，通常通过电流比较器完成。不管是对于单端架构的擦除或编程，还是对于差分架构的正确编程，如果比较器在位单元上返回正确的最后一次写入操作，则“读取”操作成功。

5、图10示出了基于电荷的位单元读取电流的理想分布。如图所示，在编程单元与擦除单元的分布之间存在着明确的开窗口，比较器中参考电流iref的最佳位置位于所述窗口的中间。已经探索了用于读取非易失性存储器位单元的自适应参考程序，例如基于对阵列中所有位单元的电压阈值的累积分布函数(cdf)进行监测的自适应参考程序。

6、这种方法针对鲁棒性的问题在于，为了确立参考电流iref的最佳位置，需要对整个存储器阵列进行扫描。这使得算法的复杂度成本与存储器阵列的尺寸直接相关，因此给定闪存中位单元的数量为n，给定可用于调节参考电流iref的位数为b，那么获得最佳阈值的算法复杂度为：

7、o(n，b)＝2b+n。

8、考虑到b<10和n>1000的特定情况，这两个附录对于计算整体复杂度都很重要。很明显，对于大的存储器阵列，这种分析在计算上变得繁琐。此外，考虑到存储器本身没有测定计功能，因此系统需要单独的器件来估计辐射磨损水平。

9、本公开的目标是提供一种数据存储装置、一种电子设备和一种操作数据存储装置的方法，所述数据存储装置具有改进的辐射耐受性和改进的辐射磨损水平意识。

10、这些目标通过独立权利要求的主题实现。另外的改进和实施例在从属权利要求中描述。

11、应当理解，除非描述为替代物，否则与任何实施例的描述相关的任何特征可以单独使用，或与本文所描述的其它特征结合使用，并且可以与任何其他实施例的一个或更多个特征结合使用，或者与任何其他实施例的任意组合结合使用。此外，在不脱离所附权利要求中所述的显示器、显示设备和操作显示器的方法的范围的情况下，也可以采用下文未说明的等同和变型。

技术实现思路

1、下文涉及一种存储器技术领域中的改进构思。该改进构思在单个集成数据存储器件中实现了磨损控制和剂量测定估计。该装置包括混合存储器电路，该混合存储器电路包括基于电荷的存储器单元，例如侧壁间隔存储器位单元。基于电荷的存储器单元阵列的一个子部分用作存储器，而另一个子部分专门用作剂量计。利用对参考电流的连续校准，可以获得自适应和状态感知系统，其能够监测整个电路的辐射吸收。

2、在至少一个实施例中，数据存储装置包括集成电路，该集成电路还包括控制单元和基于电荷的存储器单元的存储器阵列。该存储器阵列包括第一子部分和第二子部分。

3、在数据存储装置的操作期间，存储器阵列的第一子部分可作为存储器操作。而存储器阵列的第二子部分可作为剂量计操作。

4、控制单元提供参考电流并且参考参考电流执行存储器访问操作以访问存储器。此外，该控制单元通过使用第二子部分中的存储器访问操作来分析读取电流的统计分布。该分析涉及对存储器访问操作的逻辑读取错误进行计数，并根据计数的逻辑读取错误数校准参考电流。计数的逻辑读取错误数也指示了总电离剂量tid。

5、所提出的数据存储装置改进了单个设备中的辐射耐受性和对辐射磨损水平的认知。事实上，具有耐辐射设计和对电子系统磨损水平的认知这两个问题是绑定在一起的。改进的构思以独特的方式解决了这两个问题。在某种意义上，该数据存储装置构成混合存储器电路，其基于电荷的存储器单元(例如侧壁间隔存储器位单元)实现磨损控制和剂量估计。由于第二子部分中基于电荷的存储器单元的阵列专门用于剂量测定并且由于数据存储装置的校准，因此可以获得能对整个装置的辐射吸收进行监测的自适应及状态感知系统和包含该数据存储装置的任何电子设备。

6、在许多应用中，监测存储器阵列的数据保留磨损可能具有技术优势。例如，这适用于大多数医学、高能物理和空间应用，在这些应用中辐射硬度是设计架构的重要参数。所提出的数据存储装置在单个设备中结合了剂量计和存储器的使用。将存储器和剂量计的这种结合应用在基于电荷的存储器位单元自身的存储器阵列规模上，只需增加相当少的电路和逻辑件。特别地，如果存储器阵列中基于电荷的存储器单元的数量为n，那么所提出构思的架构所具有的基于电荷的存储器单元的数量等于：

7、n′＝n(1+a)。

8、n'是存储器阵列中基于电荷的存储器单元的总数，参数a表示专用于第二子部分的基于电荷的存储器单元的比例(fraction)，即用于剂量测定操作的基于电荷的存储器单元的比例，其中0<a<1。

9、由于剂量计和存储器块的性质，因此可以安全地假设两个子部分的行为方式相同，并且总电离剂量tid造成的损坏具有相同的性质。事实上，电离辐射对基于电荷的位单元(例如侧壁间隔存储器位单元)具有非常特殊的影响。考虑到所存储的信息取决于沉积在特定层中的电荷量，并且电离辐射影响电子电荷的运动，因此存储在存储器单元中的信息可能会衰变。研究已经表明，这种衰变是单调的并倾向于消除已泵入存储器单元的电荷，例如在氮化物垫片或隔离导电层中。换言之，可以将tid与存储在单元中的电荷相关联。这一发现以逻辑读取错误的数量进行编码。事实上，随着数据存储装置持续暴露在电离辐射下，电子电荷的运动使得存储器访问操作的逻辑读取错误增加。对逻辑读取错误的数量进行计数不仅可以校准参考电流，而且其本身还可以指示总电离剂量tid。

10、总之，改进的构思具有多重优势，这些优势包括：符合标准cmos工艺、使用相同的电路对存储器和剂量计进行读和写、由于基于电荷的存储器单元和存储器本身的布局可以实现紧凑且集成的设计。此外，整个系统提供了在同等实施例中使用最大非重叠电流或估计累积分布函数cdf的某个百分位数对剂量计的数据进行细化以定义电流参考的灵活性。

11、在下文中，基于电荷的存储器被视为将数据编码为电荷量的任何类型的半导体存储器。侧壁间隔存储器位单元就是示例，还有作为sonos的电荷捕获位单元以及广泛使用的浮动栅极位单元。术语“存储器”是指通过集成电路存储器芯片上的存储单元将数据存储在半导体(例如金属氧化物半导体mos)中的设备。通过存储器访问操作能访问存储器。二进制数据位存储在存储器单元中。存储器访问操作包括基本操作“读取”和“写入”，在“读取”操作中存储器字的数据内容被无损读出，在“写入”操作中数据被存储在存储器字中以替换先前存储在存储器字的任何数据。参考参考电流对存储器单元进行访问。此外，能通过给定存储器单元的特征读取和/或写入电流对其进行访问。

12、基于电荷的存储器单元通常是通过将存储在单元中的读取电流(或存储值)与一个或更多个阈值(例如一个或更多个参考电流)进行比较来进行读取的。在环境不对内存造成损害的情况下，存储器单元的数量类似于读取电流的统计分布。这种分布在下文中被称为“读取电流的统计分布”。该分布可以具有能与“编程”和“擦除”的存储单元相关联的两条独立曲线。这两条曲线可能被某个电流开窗口或“delta”隔开。参考电流可能位于由delta所定义的间隔内的电流值处。例如，参考电流可以设置为delta/2。

13、在至少一个实施例中，第二子部分中的存储器单元被预充电以具有低读取电流，并且在使用存储器宏模块(即第一子部分)之前被编程。这样，能够使第二子部分的存储器单元用作剂量计。当读取电流的统计分布中的读取电流位于最小读取电流值的10％或1％的范围内时，该读取电流被视为“低”。实际的“低”读取电流可以由当前应用来确定。例如，对于特定的cmos技术(例如65nm的cmos技术)，对于侧壁间隔，低读取电流为0μa至15μa以及10μa至15μa。高读取电流可能为25μa至40μa。不过，这可能会随着技术工艺而变化。例如，使用180nm的cmos技术会产生不同的读取电流。因此，通过对技术的初步描述，人们能说出什么定义为“低”，什么定义为“高”，以及存储器是否可工作(即读取窗口是否足够大以具有可靠性)。

14、在至少一个实施例中，数据存储装置包括列控制块。该列控制块包括比较器，该比较器可操作以对读取电流和参考电流进行比较。在数据存储装置的操作过程中，该列控制块可以控制存储器访问操作。在这些操作过程中，比较器分别将读取电流与参考电流进行比较。

15、例如，存储器字的数据内容是从特定的存储器单元读出的，即参考参考电流利用其特征读取电流对存储器单元进行访问。这是在列控制块的控制下进行的。然后将该特定存储器单元的读取电流与参考电流进行比较，以检测可能的逻辑读取错误，这些逻辑读取错误可能是由于辐射暴露而产生的。该列控制块和比较器构成电子组件，这些电子组件能用于第一子部分和第二子部分，即用作存储器和剂量计。因此，可能不需要为每个功能单独实现专门的电子器件。这进一步改善了空间要求和成本效益。

16、在至少一个实施例中，比较器包括电流感测放大器。所述电流感测放大器被配置为单端结构或差分结构。所述电流感测放大器对读取电流和参考电流进行比较。

17、在至少一个实施例中，列控制块还包括数据缓冲器和位线驱动器。行控制块包括字线驱动器。数据缓冲区、位线驱动器和字线驱动器提供对存储器的控制，以便读取或写入特定的存储器单元。数据缓冲器、位线驱动器和字线驱动器构成电子组件，这些电子组件能用于第一子部分和第二子部分，即用作存储器和剂量计。这进一步改善了空间要求和成本效益。

18、在至少一个实施例中，控制块包括计数器。所述计数器被配置为根据存储器单元的数量对第二子部分中读取电流的统计分布进行分析。所述分析涉及使用比较器(例如电流感测放大器)对来自读取电流的统计分布中的读取电流与参考电流进行连续比较。取决于该比较是否符合比较标准，对于每次比较，都会生成一个逻辑true或false信号。

19、例如，当读取电流小于或大于参考电流时，满足比较标准。通常，当读取电流高于参考电流时，会产生逻辑false信号，从而指示逻辑读取错误。根据存储器的实际设计，此标准也可能相反。最后，将逻辑false信号的数量作为计数的逻辑读取错误的数量。

20、基于电荷的存储器单元受到它们所暴露于的辐射的影响。如上所述，辐射可能会改变单元中的电荷或电荷分布。由于存储器单元将电荷状态作为数据进行存储，因此辐射暴露可能导致信息丢失。反过来，这种信息丢失能从计数的逻辑读取错误的数量中看出。因此，计数的逻辑读取错误的数量可以具有双重目的。

21、首先，所述数量能用来校准参考电流。由辐射所引起的单元中电荷及电荷分布的变化可能会影响读取电流的统计分布。与“编程”和“擦除”存储器单元相关联的曲线可能会在电流中移动，“delta”因此也可能发生变化。计数的逻辑读取错误的数量表示偏移，进而允许确定“delta”，或者换言之，允许确定参考电流。校准参考电流可以改善存储器的精度和可靠性，即使存储器暴露在危险的辐射中。

22、其次，计数的逻辑读取错误的数量也是tid的衡量标准。例如，根据存储器单元的编程(例如编程脉冲时间)，在第二子部分中，能对计数的逻辑读取错误的数量进行关联以产生tid。因此，除了改善精度和可靠性之外，计数的逻辑读取错误的数量还提供了一种利用单个混合设备确定总电离剂量tid的便捷方法。

23、在至少一个实施例中，控制块可操作以通过执行以下步骤来分析读取电流的统计分布。首先，在控制块的控制下，通过将第一存储值写入第二子部分的基于电荷的存储器单元，将数据存储在存储器阵列中。从第二子部分的基于电荷的存储器单元读取第二存储值。计算第二子部分中基于电荷的存储器单元的数量，这些存储器单元返回逻辑false信号，从而指示读取电流高于参考电流并指示逻辑读取错误。

24、对于存储器阵列的第一子部分和第二子部分，写入和读取存储值的操作是相同的。因此，计数的逻辑读取错误的数量、以及参考电流和tid的测量值能通过子部分之间共享的电子器件来确定。无需为存储器和剂量计功能提供专门的电子器件。这样可以节省空间并降低成本。

25、在至少一个实施例中，控制块可根据计数的逻辑读取错误的数量校准参考电流。然后将校准后的参考电流设置为参考电流，以在存储器单元上执行存储器访问操作。

26、在至少一个实施例中，第一子部分的基于电荷的存储器单元的数量大于第二子部分的基于电荷的存储器单元的数量。

27、为了达到剂量计期望的精度，第二子部分可以布置有用于剂量计功能的一定量的存储器单元。只要使用相同的程序和擦除操作，存储器阵列的两个子部分的尺寸越大，那么读取存储器访问操作期间读取电流的分布就趋于相同。因此，能对剂量测定阵列的尺寸进行设置，以实现期望的统计池。这样做还能取得所述两个子部分的分布的收敛。

28、在至少一个实施例中，第二子部分包括具有相同编程的存储器单元块中的至少一个。所述相同的编程对应于第一子部分的存储器单元的编程。

29、在至少一个实施例中，第二子部分可以进一步细分为存储器单元块，其中来自同一块的单元具有相同的编程。例如，具有最高编程脉冲时间的块可能是最后失效的块。

30、具有与第一子部分中的存储器单元相同编程的至少一个块允许对与第一子部分(存储器)和第二子部分(剂量计)相关联的存储器单元之间进行直接比较。例如，通常可以安全地假设第二子部分的单元与第一子部分的单元受到的影响相同。由于辐射对两个阵列的影响相同，因此两个阵列分布的变化也将相同。此外，由于第一子部分和第二子部分作为存储器和剂量计的性质，因此可以假设两个阵列的行为方式相同，并且总电离剂量所造成的损害具有相同的性质。

31、在至少一个实施例中，第一子部分和第二子部分中使用的基于电荷的存储器单元是同一类型的。因此，第一子部分和第二子部分的分离可能只是不同的驱动和编程的问题。因此，存储器和剂量计的功能可以通过基于电荷的存储器单元的一个公共阵列来实现，例如通过集成到单个公共芯片中来实现。

32、在至少一个实施例中，至少对于相同编程的块，控制块是可操作以根据读取电流确定作为总电离剂量tid的度量的逻辑读取错误的数量。

33、例如，电离辐射对基于电荷的存储器单元(例如侧壁间隔存储器位单元)具有非常具体的影响。考虑到存储的信息取决于沉积在特定层中的电荷量，并且电离辐射对这些设备的影响与电子电荷在层堆叠中的运动有关，因此存储的信息可能根据tid而衰变。这种衰变可能是单调的，并且倾向于消除泵入单元(例如氮化物垫片)中的电荷。因此，可以将tid与一次存储在单元中的电荷相关联。

34、在至少一个实施例中，第二子部分被细分为具有不同预充电条件的存储器单元块。每个块分别具有用于编程的不同的脉冲时间。用于编程的不同预充电条件或脉冲时间允许调整或扩展剂量计的检测范围。事实上，不同块中计数逻辑错误的数量与总电离剂量相关。

35、例如，对于第一预充电条件，给定数量的计数逻辑错误对应于第一tid值。不过，对于第二预充电条件，给定数量的计数逻辑错误可能对应于第二tid值，但值不同。用于编程的预充电条件或脉冲时间集定义了如何将计数逻辑错误数量转换为tid值。此外，用于编程的预充电条件或脉冲时间集定义了剂量计的测量范围。不同预充电条件的存储器单元块的数量可以是从1开始的任何数，并且可能仅受期望测量范围的限制。

36、在至少一个实施例中，以下公式成立：

37、

38、其中，n表示第一子部分中基于电荷的存储器单元的总数，参数a表示基于电荷的存储器单元的总数中组成第二子部分的比例，而m表示第二子部分中的块的数量。

39、专门用于剂量测定的第二子部分包括一定的区域。该区域或第二子部分中的单元数影响测量的精度。还能调整剂量计的尺寸以适应其运行的环境类型。为了实现期望精度，可以考虑块的最小尺寸(例如为了保持统计一致性)。在为了获得期望精度需要多少这些块方面，该系统具有适应性。研究表明，上述公式所提出的极限适用于许多环境的统计一致性。

40、在至少一个实施例中，组成第二子部分的存储器单元在所述子部分的初始条件化之后永远不会被重新编程或刷新，特别是，利用特定的脉冲时间被编程之后永远不会被重新编程或刷新。

41、如上所述，辐射具有改变整个存储器中的电荷和电荷分布的作用。因此，可能需要对用于存储器访问操作的参考电流进行校准，以便在暴露于危险辐射的情况下仍保持数据存储装置的可靠性。该过程可以通过重新编程(例如脉冲时间的重新编程)来补充。不过，组成第二子部分的存储器单元可能不会被重新编程，因此会保持在其初始编程状态。当属于剂量测定阵列的存储器单元从未被刷新时，这些存储器单元映射数据保留的最坏情况(最坏场景)。这样，相对于数据存储装置的初始条件，所报告的计数逻辑错误的数量和tid值被记录。换言之，所报告的tid实际上是装置的整个寿命的度量。

42、在至少一个实施例中，电子设备包括根据本文讨论的一个或更多个方面的数据存储装置。此外，所述电子设备包括主机系统。任何应该在恶劣辐射条件下运行的主机系统都可以从具有该数据存储装置中受益。例如，主机系统可以包括以下至少一项：

43、-医疗设备，

44、-航空设备，

45、-高能物理探测器，

46、-集成磨损控制空间设备，

47、-供个人使用的便携式移动设备，

48、-便携式食品放射性探测器，或

49、-用于检查周围放射性活动的便携式探测器。

50、在至少一个实施例中，操作数据存储装置的方法被应用于包括集成电路的装置，该集成电路具有控制单元和基于电荷的存储器单元的存储器阵列。其中，存储器阵列包括可作为存储器操作的第一子部分和可作为剂量计操作的基于电荷的存储器单元的第二子部分。该方法包括使用控制单元和提供参考电流的步骤。参考参考电流执行存储器访问操作以访问存储器以分析读取电流的统计分布。对第二子部分中存储器访问操作的逻辑读取错误的数量进行计数。最后，根据计数的逻辑读取错误的数量校准参考电流，该计数的逻辑读取错误的数量还指示总电离剂量tid。

51、在至少一个实施例中，通过将第一存储值写入第二子部分的基于电荷的存储器单元，存储器被利用各种脉冲时间和/或预充电条件编程。参考参考电流从存储器单元读取第二存储值。在第二子部分中分别计数的逻辑读取错误，并将其作为第一参考条件的指示，即参考参考电流。然后从存储器单元读取第二存储值，同时参考至少一个中间参考电流，该中间参考电流不同于第一参考条件的参考电流。在第二子部分中参考中间参考电流对逻辑读取错误进行计数，并将其作为第二参考条件的指示。然后比较用于第一参考条件和至少第二参考条件的逻辑读取错误的数量。校准参考电流，使得逻辑错误的数量较少的参考电流被设置为“新”的参考电流。

52、对于本领域技术人员，借助本文所述的数据存储装置和电子设备的实施例，根据该改进构思的、操作数据存储装置的方法的其他实施例变得显而易见。

53、与使用专用存储器和剂量测定块的解决方案相比，本文所提出的构思具有一些优点，并且对于单个块的使用也是如此。与使用两个块实现存储器和剂量计功能的系统相比，由于大多数操作完全使用相同的电路执行，因此在面积效率方面有了相当大的改善。此外，由于两个块使用相同的结构，因此有助于检测系统的故障时间，有助于布局的接近性。

54、与使用专用剂量计相比，可能出现的问题可能与系统本身的精度和非线性有关。由于实际上所提出的构思可能依赖于剂量计特定块的失效，甚至包括统计技术以提高检测到的剂量的粒度，因此其量化误差和精度可能与专用块的量化误差和精度不匹配。正如从上面的描述中可能已经变得的那样，将本发明纳入视角中的更相关的比较可能仅与不具有剂量计部分的存储块相关。事实上，随着面积方面的费用(只是更大的存储器阵列)所授予的有意义的统计池，可以跟踪整个存储器的磨损水平，以及与具有数据存储装置的电子设备所使用的与tid水平相关的附加信息。这种附加功能在恶劣环境中尤其有价值(例如在医疗、高能物理和空间应用中)，以对系统的状态和失效幅度有可靠的了解。

55、在计算复杂度方面，两种不同的操作需要以下分析：tid水平的确定和参考的校准。特别是，tid水平的确定可能需要对整个剂量测定区域na进行读取操作，因此其与剂量测定阵列的尺寸成正比。为了计算沉积在电子设备上的剂量，有必要对所述操作期间的逻辑错误数量进行计数，确定结果的统计分布。显然，复杂度主要受存储器阵列尺寸(a的值)的影响，该存储器阵列的尺寸可能需要足够大才能成为重要的统计池，但又足够小以至于计算操作不会太重。如何确定此权衡点的位置在很大程度上取决于应用，即取决于期望的精度和整个系统可用的面积。

56、相同的思维过程适用于参考的校准，例如单端存储器单元结构的参考电流或差分存储器单元结构的存储器单元偏置，加上具有不同编程深度(编程操作中的脉冲时间)的m个块中剂量测定阵列的分离。特别是，在不同块的存储器单元的存储层中泵入的电荷也可能不同，具体取决于tid水平上分析的粒度。如上所述，其中一个块可能具有与存储器阵列第一子部分相同的编程深度，以实现最佳的注入电荷，并在耐用性和数据保留之间做出合理的权衡。这可能是待分析的块，以实现参考本身的最佳效果。因此，复杂度可能与剂量测定阵列块的尺寸成正比，乘以数字校准的二进制精度：

57、

58、在恶劣环境中运行的应用能从系统损坏的检测中受益匪浅，在使用所提出的构思时具有很大的计算和面积优势。特别是，所有包含数据存储装置的集成系统都可以仅用一个设备解决两个重要问题。

59、对示例实施例的以下描述可以进一步说明和解释该改进构思的方面。具有相同结构和相同效果的组件和部件分别表示为相同的附图标记。如果组件和部件在不同图中的功能彼此对应，那么不再在后续的每个图中对其进行重复描述。