硫属相变存储器CRAM的存储元结构设计及优化

发布时间：2020-03-23 14:58

【摘要】： 硫系化合物随机存储器CRAM利用电流脉冲的热效应使其存储物质——硫系化合物发生具有巨大阻值差异(3～5个数量级)的可逆结构相变(晶态和非晶态)来记录和读取数据。它具有元件尺寸小、功耗低、可多级存储,制作工艺简单等优点。此外,该存储技术与材料带电粒子的状态无关,从而具有很强的抗空间辐射能力,能满足国防和航天需求,是目前国内外重点研制的新型存储器。 在CRAM的研究过程中遇到的最大问题便是操作电流过大,不能与现有的CMOS实现电兼容,另外CRAM工作中产生的大量热能会影响CMOS的正常工作,因此存储元与CMOS的热兼容问题也成为CRAM走向实用化的制约因素。 针对以上问题,本文根据CRAM的工作原理与特点,从CRAM存储元的热传导模型出发,利用数值方法模拟并分析CRAM存储元中的热场分布及其演化过程,着重考察数据重写时CRAM存储元在电流脉冲作用下的发热对CMOS电路的热影响和相变材料的相变情况。 设计出具有两层GST材料的“工”型存储单元,实现了存储元与CMOS的热兼容。通过分析传统存储元结构的热场发现相变材料GST具有很好的隔热性能,于是在底电极和加热层之间插入一层GST,一方面利用GST的隔热性有效阻止加热层产生的大量热量向底电极扩散,实现了存储元与CMOS的热兼容;另一方面两层GST同时发生相变,可以提高热能利用率,降低写电流。 通过器件优化设计,极大地减小了写电流,实现了器件的低功耗。本文通过对存储元各层材料尺寸对写电流的影响的分析,并结合电路模拟寻找最大传输功率下的最佳单元电阻,得到各层材料的最优尺寸,最终在该结构下获得低至0.36mA的reset电流,低于已公布的研究数据,很好地实现了CRAM存储元与CMOS的电兼容和低功耗。 本文通过热场分析和器件优化设计出的存储单元很好地实现了存储元与CMOS的热兼容,并将reset电流降低至0.36mA,大大降低了功耗,具有一定的创新性和实用性,推动了CRAM成品化的进程。
【图文】：

一种改进方法是减小加热层与相变层的接触面积l川[39]。丫H.Ha等人设计了一种边缘接触型结构，将下电极由垂直改为水平，，通过减小接触面积来达到减小写电流的目的(如图3一2)。发生相变的区域 (Progr~ablevolume)位于底电极(BE)侧面的边缘位置，这样的设计，一方面大大减小了底电极与相变层GST的接触面积，增大了电流密度，从而可以获得相对较小的操作电流;另一方面，聚集了大量热能的相变区域远离底电极、顶电极(TEC)和金属线(MO、MI)这些作为热沉材料的区域，从而使热量能更有效地被利用于GST的结构相变，提高了热能的利用率。在所公布的数据中，该结构下的CRAM具有最好的性能，脉冲宽度为30ns

第三种设计方法是分离法。即将电流和热流的途径进行分割的方法。P.H如ngBolivar等人设计的“I”型存储单元结构中将电极进行分离，热扩散和电流扩散经过不同的通道[’l](如图3一4)。基本思想是:传统结构中元件的电流通过的面积不可避免地被限制为FZ(F为最小的印刷工艺特征尺寸)，由于CMOS的驱动，因此需要较大的电流。而且在传统的垂直结构中相变区域与金属的直接接触会在工作过程中造成较大的热扩散。而在“1”型结构中，电流从侧面流入相变层，这样电流的限制区域面积就会极大地减小为Fxt(t为相变层的厚度)。另外，相变区域是由相变材料自身的尺寸来决定的，该结构中的热扩散比传统结构下的热扩散少，因此可以在很大程度上减小相变所需的写电流。而且在编程区域下方还有一个独立的热沉层来调整热扩散。这种结构下，CRAM的set电流减小到3.3必
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TP333

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本文编号：2596887