相变存储器芯片电路设计与实现

发布时间：2020-03-21 06:13

【摘要】： 相变存储器是一种新型的非易失性半导体存储器,具有高速、高集成度、低压、低功耗、与CMOS工艺兼容等优点,被国际半导体工业协会认为是最有可能取代SRAM、DRAM和FLASH等当今主流产品而成为未来存储器主流和最先成为商用产品的下一代半导体存储器件。本文围绕相变存储器芯片电路设计这一方向,对芯片电路的设计与实现,开展了一系列的研究。相变存储器芯片的整体框架主要包括:存储阵列,译码电路,逻辑控制电路,写驱动电路和读出放大电路五部分。本文的重点为设计对相变单元实现相变操作至关重要的写驱动电路:首先设计了驱动偏置电路中的带隙基准电压电路,该电路可产生高精度的基准电压;接着由基准电压电路出发,设计了电流源电路,可产生高精度的基准电流;基准电流作为偏置,施加于写驱动电流镜电路,最终可产生大小不同的读、写、擦电流;同时为了保证有效读出,还设计了读限幅电路。采用HSPICE进行电路仿真,结果表明基准电压和偏置电流的设计满足了高精度的要求,均具有较低的温度系数(低于8ppm/℃)和较高的电源抑制比(高于50dB);写驱动电流镜的设计则满足了相变单元对操作电流脉冲的要求;限幅电路在读高阻的情形时很好的将相变单元两端的电压限制在0.9V以下,有效地保证了读操作时相变单元状态的稳定。整个芯片电路和版图的设计与仿真是基于中芯国际半导体制造有限公司(SMIC)的0.18μm标准逻辑CMOS工艺下的参数模型进行的,并最终用SMIC的单层多晶、4层金属的0.18μm标准逻辑CMOS工艺外加特殊的相变薄膜工艺实现了16Kbit相变存储器试验芯片的制造。最后,进行了一系列的芯片测试工作,包括未封装的探针测试与封装后的测试:探针测试主要表征了相变单元的性能;封装后的测试则主要测试了CMOS电路的性能,通过将HSPICE仿真结果与测试结果进行比对,进一步验证了CMOS电路的性能。
【图文】：

器件结构

Ovonyx负责非挥发性存储技术的stefan之后，PCRAM成本及性能上的优势将全面超到22nln以下。因此可以说，PCRAM发展前景性及操作原理采用的相变电阻材料以硫系化合物为主，文献、SbTe、InTe、SesbTe等，，比较有代表性的是是被研究的最广泛也是最为成熟的一种，本文、擦操作(Reset和set)是通过施加电压或电流脉数据的读出(Read)则靠测量相变电阻在不同状态典型的器件结构，电流通过纳米尺寸的下电极近。

曲线,晶态,非晶态,曲线

减小写入电流。图1.2所示为典型的PCRAM单元的I一V曲线。如图所示，多晶态的相变材料一始具有较低的阻值，当外加的电流高到Reset操作的电流区域时，材料将熔化而处融熔状态，之后电流迅速撤去，经过快速冷却，材料进入冷液态，因为结晶过程需有一定的孕育阶段，但此时材料温度已降低至结晶温度以下，没有经过结晶过程，而直接实现了晶态向非晶态的转化，即低阻向高阻的转变I’5]。非晶态的相变材料最初则具有较高的电阻值，当其两端的电压逐渐增加至超过阐电压时汉动时，相变材料会发生崩溃现象而使得流过其中的电流突然增大，此特性称为开关特性(switch)I’6]，之后若电流继续增加，一旦达到set操作所需的电流区时，相变材料的温度将上升到熔化温度之下、结晶温度之上，这种状态保持一段时后，材料就会有结晶的现象，从而实现了非晶态向晶态的转化，即高阻态向低阻态转变l，51。除了上述Reset与set过程外，PCRAM读取操作(Reed)同样重要，图1.2中亦显了PCRAM单元的读取区间，读电压必须尽量低，以避免单元的状态在读取时受干扰，因为若读电压过高，有可能引起相变材料发生“S初tch”现象，或者再次发相变而改变其初始的状态[’7-2’】。月.劝.曲.曲.门UnU自盯仙内U
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所）
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TP333;TN79

【参考文献】