【摘要】： 硫系化合物隨機(jī)存儲(chǔ)器CRAM利用電流脈沖的熱效應(yīng)使其存儲(chǔ)物質(zhì)——硫系化合物發(fā)生具有巨大阻值差異(3～5個(gè)數(shù)量級(jí))的可逆結(jié)構(gòu)相變(晶態(tài)和非晶態(tài))來(lái)記錄和讀取數(shù)據(jù)。它具有元件尺寸小、功耗低、可多級(jí)存儲(chǔ),制作工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。此外,該存儲(chǔ)技術(shù)與材料帶電粒子的狀態(tài)無(wú)關(guān),從而具有很強(qiáng)的抗空間輻射能力,能滿(mǎn)足國(guó)防和航天需求,是目前國(guó)內(nèi)外重點(diǎn)研制的新型存儲(chǔ)器。 在CRAM的研究過(guò)程中遇到的最大問(wèn)題便是操作電流過(guò)大,不能與現(xiàn)有的CMOS實(shí)現(xiàn)電兼容,另外CRAM工作中產(chǎn)生的大量熱能會(huì)影響CMOS的正常工作,因此存儲(chǔ)元與CMOS的熱兼容問(wèn)題也成為CRAM走向?qū)嵱没闹萍s因素。 針對(duì)以上問(wèn)題,本文根據(jù)CRAM的工作原理與特點(diǎn),從CRAM存儲(chǔ)元的熱傳導(dǎo)模型出發(fā),利用數(shù)值方法模擬并分析CRAM存儲(chǔ)元中的熱場(chǎng)分布及其演化過(guò)程,著重考察數(shù)據(jù)重寫(xiě)時(shí)CRAM存儲(chǔ)元在電流脈沖作用下的發(fā)熱對(duì)CMOS電路的熱影響和相變材料的相變情況。 設(shè)計(jì)出具有兩層GST材料的“工”型存儲(chǔ)單元,實(shí)現(xiàn)了存儲(chǔ)元與CMOS的熱兼容。通過(guò)分析傳統(tǒng)存儲(chǔ)元結(jié)構(gòu)的熱場(chǎng)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(kuò)散,實(shí)現(xiàn)了存儲(chǔ)元與CMOS的熱兼容;另一方面兩層GST同時(shí)發(fā)生相變,可以提高熱能利用率,降低寫(xiě)電流。 通過(guò)器件優(yōu)化設(shè)計(jì),極大地減小了寫(xiě)電流,實(shí)現(xiàn)了器件的低功耗。本文通過(guò)對(duì)存儲(chǔ)元各層材料尺寸對(duì)寫(xiě)電流的影響的分析,并結(jié)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(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)了CRAM存儲(chǔ)元與CMOS的電兼容和低功耗。 本文通過(guò)熱場(chǎng)分析和器件優(yōu)化設(shè)計(jì)出的存儲(chǔ)單元很好地實(shí)現(xiàn)了存儲(chǔ)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(shí)用性,推動(dòng)了CRAM成品化的進(jìn)程。
【圖文】：

一種改進(jìn)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(shè)計(jì)了一種邊緣接觸型結(jié)構(gòu)，將下電極由垂直改為水平，，通過(guò)減小接觸面積來(lái)達(dá)到減小寫(xiě)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(cè)面的邊緣位置，這樣的設(shè)計(jì)，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(duì)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(yuǎn)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(jié)構(gòu)相變，提高了熱能的利用率。在所公布的數(shù)據(jù)中，該結(jié)構(gòu)下的CRAM具有最好的性能，脈沖寬度為30ns

第三種設(shè)計(jì)方法是分離法。即將電流和熱流的途徑進(jìn)行分割的方法。P.H如ngBolivar等人設(shè)計(jì)的“I”型存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)中將電極進(jìn)行分離，熱擴(kuò)散和電流擴(kuò)散經(jīng)過(guò)不同的通道[’l](如圖3一4)。基本思想是:傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中元件的電流通過(guò)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(qū)動(dòng)，因此需要較大的電流。而且在傳統(tǒng)的垂直結(jié)構(gòu)中相變區(qū)域與金屬的直接接觸會(huì)在工作過(guò)程中造成較大的熱擴(kuò)散。而在“1”型結(jié)構(gòu)中，電流從側(cè)面流入相變層，這樣電流的限制區(qū)域面積就會(huì)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(lái)決定的，該結(jié)構(gòu)中的熱擴(kuò)散比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)下的熱擴(kuò)散少，因此可以在很大程度上減小相變所需的寫(xiě)電流。而且在編程區(qū)域下方還有一個(gè)獨(dú)立的熱沉層來(lái)調(diào)整熱擴(kuò)散。這種結(jié)構(gòu)下，CRAM的set電流減小到3.3必
【學(xué)位授予單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2009
【分類(lèi)號(hào)】：TP333

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