【摘要】： 硫系化合物隨機存儲器CRAM利用電流脈沖的熱效應使其存儲物質(zhì)——硫系化合物發(fā)生具有巨大阻值差異(3～5個數(shù)量級)的可逆結構相變(晶態(tài)和非晶態(tài))來記錄和讀取數(shù)據(jù)。它具有元件尺寸小、功耗低、可多級存儲,制作工藝簡單等優(yōu)點。此外,該存儲技術與材料帶電粒子的狀態(tài)無關,從而具有很強的抗空間輻射能力,能滿足國防和航天需求,是目前國內(nèi)外重點研制的新型存儲器。 在CRAM的研究過程中遇到的最大問題便是操作電流過大,不能與現(xiàn)有的CMOS實現(xiàn)電兼容,另外CRAM工作中產(chǎn)生的大量熱能會影響CMOS的正常工作,因此存儲元與CMOS的熱兼容問題也成為CRAM走向實用化的制約因素。 針對以上問題,本文根據(jù)CRAM的工作原理與特點,從CRAM存儲元的熱傳導模型出發(fā),利用數(shù)值方法模擬并分析CRAM存儲元中的熱場分布及其演化過程,著重考察數(shù)據(jù)重寫時CRAM存儲元在電流脈沖作用下的發(fā)熱對CMOS電路的熱影響和相變材料的相變情況。 設計出具有兩層GST材料的“工”型存儲單元,實現(xiàn)了存儲元與CMOS的熱兼容。通過分析傳統(tǒng)存儲元結構的熱場發(fā)現(xiàn)相變材料GST具有很好的隔熱性能,于是在底電極和加熱層之間插入一層GST,一方面利用GST的隔熱性有效阻止加熱層產(chǎn)生的大量熱量向底電極擴散,實現(xiàn)了存儲元與CMOS的熱兼容;另一方面兩層GST同時發(fā)生相變,可以提高熱能利用率,降低寫電流。 通過器件優(yōu)化設計,極大地減小了寫電流,實現(xiàn)了器件的低功耗。本文通過對存儲元各層材料尺寸對寫電流的影響的分析,并結合電路模擬尋找最大傳輸功率下的最佳單元電阻,得到各層材料的最優(yōu)尺寸,最終在該結構下獲得低至0.36mA的reset電流,低于已公布的研究數(shù)據(jù),很好地實現(xiàn)了CRAM存儲元與CMOS的電兼容和低功耗。 本文通過熱場分析和器件優(yōu)化設計出的存儲單元很好地實現(xiàn)了存儲元與CMOS的熱兼容,并將reset電流降低至0.36mA,大大降低了功耗,具有一定的創(chuàng)新性和實用性,推動了CRAM成品化的進程。
【圖文】：

一種改進方法是減小加熱層與相變層的接觸面積l川[39]。丫H.Ha等人設計了一種邊緣接觸型結構，將下電極由垂直改為水平，，通過減小接觸面積來達到減小寫電流的目的(如圖3一2)。發(fā)生相變的區(qū)域 (Progr~ablevolume)位于底電極(BE)側面的邊緣位置，這樣的設計，一方面大大減小了底電極與相變層GST的接觸面積，增大了電流密度，從而可以獲得相對較小的操作電流;另一方面，聚集了大量熱能的相變區(qū)域遠離底電極、頂電極(TEC)和金屬線(MO、MI)這些作為熱沉材料的區(qū)域，從而使熱量能更有效地被利用于GST的結構相變，提高了熱能的利用率。在所公布的數(shù)據(jù)中，該結構下的CRAM具有最好的性能，脈沖寬度為30ns

第三種設計方法是分離法。即將電流和熱流的途徑進行分割的方法。P.H如ngBolivar等人設計的“I”型存儲單元結構中將電極進行分離，熱擴散和電流擴散經(jīng)過不同的通道[’l](如圖3一4)�；舅枷胧�:傳統(tǒng)結構中元件的電流通過的面積不可避免地被限制為FZ(F為最小的印刷工藝特征尺寸)，由于CMOS的驅動，因此需要較大的電流。而且在傳統(tǒng)的垂直結構中相變區(qū)域與金屬的直接接觸會在工作過程中造成較大的熱擴散。而在“1”型結構中，電流從側面流入相變層，這樣電流的限制區(qū)域面積就會極大地減小為Fxt(t為相變層的厚度)。另外，相變區(qū)域是由相變材料自身的尺寸來決定的，該結構中的熱擴散比傳統(tǒng)結構下的熱擴散少，因此可以在很大程度上減小相變所需的寫電流。而且在編程區(qū)域下方還有一個獨立的熱沉層來調(diào)整熱擴散。這種結構下，CRAM的set電流減小到3.3必
【學位授予單位】：武漢理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2009
【分類號】：TP333

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