發(fā)布時間：2020-03-21 06:13

【摘要】： 相變存儲器是一種新型的非易失性半導(dǎo)體存儲器,具有高速、高集成度、低壓、低功耗、與CMOS工藝兼容等優(yōu)點,被國際半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會認為是最有可能取代SRAM、DRAM和FLASH等當(dāng)今主流產(chǎn)品而成為未來存儲器主流和最先成為商用產(chǎn)品的下一代半導(dǎo)體存儲器件。 本文圍繞相變存儲器芯片電路設(shè)計這一方向,對芯片電路的設(shè)計與實現(xiàn),開展了一系列的研究。 相變存儲器芯片的整體框架主要包括:存儲陣列,譯碼電路,邏輯控制電路,寫驅(qū)動電路和讀出放大電路五部分。本文的重點為設(shè)計對相變單元實現(xiàn)相變操作至關(guān)重要的寫驅(qū)動電路:首先設(shè)計了驅(qū)動偏置電路中的帶隙基準(zhǔn)電壓電路,該電路可產(chǎn)生高精度的基準(zhǔn)電壓;接著由基準(zhǔn)電壓電路出發(fā),設(shè)計了電流源電路,可產(chǎn)生高精度的基準(zhǔn)電流;基準(zhǔn)電流作為偏置,施加于寫驅(qū)動電流鏡電路,最終可產(chǎn)生大小不同的讀、寫、擦電流;同時為了保證有效讀出,還設(shè)計了讀限幅電路。采用HSPICE進行電路仿真,結(jié)果表明基準(zhǔn)電壓和偏置電流的設(shè)計滿足了高精度的要求,均具有較低的溫度系數(shù)(低于8ppm/℃)和較高的電源抑制比(高于50dB);寫驅(qū)動電流鏡的設(shè)計則滿足了相變單元對操作電流脈沖的要求;限幅電路在讀高阻的情形時很好的將相變單元兩端的電壓限制在0.9V以下,有效地保證了讀操作時相變單元狀態(tài)的穩(wěn)定。 整個芯片電路和版圖的設(shè)計與仿真是基于中芯國際半導(dǎo)體制造有限公司(SMIC)的0.18μm標(biāo)準(zhǔn)邏輯CMOS工藝下的參數(shù)模型進行的,并最終用SMIC的單層多晶、4層金屬的0.18μm標(biāo)準(zhǔn)邏輯CMOS工藝外加特殊的相變薄膜工藝實現(xiàn)了16Kbit相變存儲器試驗芯片的制造。 最后,進行了一系列的芯片測試工作,包括未封裝的探針測試與封裝后的測試:探針測試主要表征了相變單元的性能;封裝后的測試則主要測試了CMOS電路的性能,通過將HSPICE仿真結(jié)果與測試結(jié)果進行比對,進一步驗證了CMOS電路的性能。
【圖文】：

Ovonyx負責(zé)非揮發(fā)性存儲技術(shù)的stefan之后，PCRAM成本及性能上的優(yōu)勢將全面超到22nln以下。因此可以說，PCRAM發(fā)展前景性及操作原理采用的相變電阻材料以硫系化合物為主，文獻、SbTe、InTe、SesbTe等，，比較有代表性的是是被研究的最廣泛也是最為成熟的一種，本文、擦操作(Reset和set)是通過施加電壓或電流脈數(shù)據(jù)的讀出(Read)則靠測量相變電阻在不同狀態(tài)典型的器件結(jié)構(gòu)，電流通過納米尺寸的下電極近。

減小寫入電流。圖1.2所示為典型的PCRAM單元的I一V曲線。如圖所示，多晶態(tài)的相變材料一始具有較低的阻值，當(dāng)外加的電流高到Reset操作的電流區(qū)域時，材料將熔化而處融熔狀態(tài)，之后電流迅速撤去，經(jīng)過快速冷卻，材料進入冷液態(tài)，因為結(jié)晶過程需有一定的孕育階段，但此時材料溫度已降低至結(jié)晶溫度以下，沒有經(jīng)過結(jié)晶過程，而直接實現(xiàn)了晶態(tài)向非晶態(tài)的轉(zhuǎn)化，即低阻向高阻的轉(zhuǎn)變I’5]。非晶態(tài)的相變材料最初則具有較高的電阻值，當(dāng)其兩端的電壓逐漸增加至超過闡電壓時漢動時，相變材料會發(fā)生崩潰現(xiàn)象而使得流過其中的電流突然增大，此特性稱為開關(guān)特性(switch)I’6]，之后若電流繼續(xù)增加，一旦達到set操作所需的電流區(qū)時，相變材料的溫度將上升到熔化溫度之下、結(jié)晶溫度之上，這種狀態(tài)保持一段時后，材料就會有結(jié)晶的現(xiàn)象，從而實現(xiàn)了非晶態(tài)向晶態(tài)的轉(zhuǎn)化，即高阻態(tài)向低阻態(tài)轉(zhuǎn)變l，51。除了上述Reset與set過程外，PCRAM讀取操作(Reed)同樣重要，圖1.2中亦顯了PCRAM單元的讀取區(qū)間，讀電壓必須盡量低，以避免單元的狀態(tài)在讀取時受干擾，因為若讀電壓過高，有可能引起相變材料發(fā)生“S初tch”現(xiàn)象，或者再次發(fā)相變而改變其初始的狀態(tài)[’7-2’】。月.勸.曲.曲.門UnU自盯仙內(nèi)U
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院（上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所）
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2008
【分類號】：TP333;TN79

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前6條

1 許偉達;;IC測試原理-存儲器和邏輯芯片的測試[J];半導(dǎo)體技術(shù);2006年05期

2 江金光,王耀南;高精度帶隙基準(zhǔn)電壓源的實現(xiàn)[J];半導(dǎo)體學(xué)報;2004年07期

3 盛敬剛,陳志良,石秉學(xué);1V電源的CMOS能隙電壓基準(zhǔn)源[J];半導(dǎo)體學(xué)報;2005年04期

4 秦波;賈晨;陳志良;陳弘毅;;1V電源非線性補償?shù)母邷囟确�(wěn)定性電壓帶隙基準(zhǔn)源[J];半導(dǎo)體學(xué)報;2006年11期

5 汪寧,魏同立;一種具有高電源抑制比的低功耗CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源[J];微電子學(xué);2004年03期

6 劉韜,徐志偉,程君俠;一種高電源抑制比CMOS能隙基準(zhǔn)電壓源[J];微電子學(xué);1999年02期

本文編號：2592906