相变随机存储器的器件设计与软件实现
发布时间：2020-05-22 15:01
【摘要】：随着摩尔定律的不断推进，集成电路工艺尺寸已经进入纳米时代。在越来越小的单元尺寸下，Flash技术已逐渐不能满足需求，而最有可能成为下一代非易失性存储器的PCRAM也面临着严峻的挑战。ITRS在2009年报告中指出，22nm特征尺寸以下器件形貌的控制将是一大难题，侧墙角在工艺和器件设计中越来越受到重视，但它对相变存储器器件性能的影响还未见系统研究的报道。 本文从相变存储器器件设计出发，以confined型单元结构为模型，模拟了Reset过程中侧墙角对器件动态性能的影响：研究了固定结构尺寸下，侧墙角从90°变化到85°对峰值温度、焦耳热体积、潜热、动态电阻、相转变速度等的影响，得出了一些结论并进行了分析，说明了侧墙角在器件设计中的重要性；研究了特征尺寸等比例缩小时侧墙角对阈值电流的影响，以及不同特征尺寸下高宽比对阈值电流的影响；最后通过数学推导建立了侧墙角关于confined单元的数学模型，能够很好的解释侧墙角对器件性能的影响。 为了有效的设计相变存储器器件，本文从研究相变存储器电热模型、有限元理论等出发，开发出一套相变存储器器件设计软件。该软件采用Delaunay三角划分方法划分网格，采用读写文件数据传递参数，采用差分法求解矩阵方程，并且集成了几种典型的相变存储器器件的几何模型和材料模型，，最后结合三明治单元模型的具体实例说明，该软件能够有效地设计相变存储器器件。
【图文】：
图 1-1 （a）confined 型相变存储单元的剖面图；（b）相变存储单元的读、写、擦电脉冲与温度关系示意图图 1-1（a）所表示的是 confined 型相变存储单元。通过上下电极给中间的相变材料施加不同宽度和幅度的电脉冲，使相变材料编程区域（programmable region）达到不同温度，从而实现器件的读、写以及擦操作。不同操作的电压脉冲形状以及与温度的关系见图 1-1（b）所示[4,7]。相变存储器利用的是晶态的低电阻和非晶态的高电阻之间的巨大阻值差异来实现数据的存储。Set 和 Reset 分别对应于相变存储单元的低阻和高阻。刚刚沉积的相变材料一般是非晶态，可以通过退火使材料晶化。若起始态是晶态，写（Reset）过程是通过加一个短而强的电压脉冲，首先使相变层编程区域温度上升到熔点温度（Tm）以上，然后以 109~1010K/s 的速度急速冷却，相变材料由于来不及成核结晶，从而形成非晶态。这块非晶区域在相变层中实际上是被其他晶化区域包裹着的，但是由于它阻断了上下电极间的电流通路，所以器件表现出高阻态。写脉冲的电压幅
图 1-2 Set 态和 Reset 态的 I-V 曲线 所示的是 Set 态和 Reset 态的 I-V 曲线图。从图中可以看出，在阈，Set 态和 Reset 态的电阻值有巨大的差异，这两种不同状态分别“0”和“1”，而且 Reset 态的 I-V 曲线在thV 处有明显的阈值特性是可逆的，只要所加的电压能够快速的移除，器件还是 Reset 态；持续时间比晶化所需时间长，那么，器件就会转变成低阻的 Set 态程其实与前面提到的电阈值特性紧密相关。一旦非晶区域的电场值非晶区域的电阻会迅速下降到晶态电阻的级别。因为当器件是 Re阻值过大，在电极两端加上一个电压，将很难使通过相变层的电，产生足够的焦耳热来晶化相变材料。而电阈值转变特性使得非et 过程才能顺利完成。但是至今为止，电阈值特性的这种机理仍没。et 过程，Reset 过程的机理简单的多。只要所加电压大到产生足够
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TP333
本文编号：2676174
【图文】：
图 1-1 （a）confined 型相变存储单元的剖面图；（b）相变存储单元的读、写、擦电脉冲与温度关系示意图图 1-1（a）所表示的是 confined 型相变存储单元。通过上下电极给中间的相变材料施加不同宽度和幅度的电脉冲，使相变材料编程区域（programmable region）达到不同温度，从而实现器件的读、写以及擦操作。不同操作的电压脉冲形状以及与温度的关系见图 1-1（b）所示[4,7]。相变存储器利用的是晶态的低电阻和非晶态的高电阻之间的巨大阻值差异来实现数据的存储。Set 和 Reset 分别对应于相变存储单元的低阻和高阻。刚刚沉积的相变材料一般是非晶态，可以通过退火使材料晶化。若起始态是晶态，写（Reset）过程是通过加一个短而强的电压脉冲，首先使相变层编程区域温度上升到熔点温度（Tm）以上，然后以 109~1010K/s 的速度急速冷却，相变材料由于来不及成核结晶，从而形成非晶态。这块非晶区域在相变层中实际上是被其他晶化区域包裹着的，但是由于它阻断了上下电极间的电流通路，所以器件表现出高阻态。写脉冲的电压幅
图 1-2 Set 态和 Reset 态的 I-V 曲线 所示的是 Set 态和 Reset 态的 I-V 曲线图。从图中可以看出，在阈，Set 态和 Reset 态的电阻值有巨大的差异，这两种不同状态分别“0”和“1”，而且 Reset 态的 I-V 曲线在thV 处有明显的阈值特性是可逆的，只要所加的电压能够快速的移除，器件还是 Reset 态；持续时间比晶化所需时间长，那么，器件就会转变成低阻的 Set 态程其实与前面提到的电阈值特性紧密相关。一旦非晶区域的电场值非晶区域的电阻会迅速下降到晶态电阻的级别。因为当器件是 Re阻值过大，在电极两端加上一个电压，将很难使通过相变层的电，产生足够的焦耳热来晶化相变材料。而电阈值转变特性使得非et 过程才能顺利完成。但是至今为止，电阈值特性的这种机理仍没。et 过程，Reset 过程的机理简单的多。只要所加电压大到产生足够
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TP333
【参考文献】
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1 凌云;用于相变存储器的硫系化合物及器件研究[D];复旦大学;2006年
本文编号：2676174
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