（凝聚态物理专业论文）硫属相变存储器cram的存储元结构与驱动电路设计.pdf

摘要 奉论文主瑟开震y 三个方面的研究：设计能减小写电流和筒佬锖4 造工艺黥 c r a m 新型结构存储冗；构建反映c r a m 存储元阻值变换规律的存储元电路 模型；设幸 熊黻幂l 透露数据存储识嗣豹完整鹣c r a m 存储器驱动电爨。 蓠次从考察存储冗与外围电路热兼容的角度，提出具有“相变层+ 加热层十 褶交搽”结梅静“工”形存键元，筵绥梅由于毽雳较，l 、尺寸麓热层静两端霜露鸯鬟 热相变材料，方面，通过对设计出来的存储元进行电流加热使其相变的情况 下述纷漫度分蠢诗算穰羧褥舞，透一步减夺了存储元豹复位写毫流；舅一方嚣， 此结构下晶体管能承受在存储元高温相交时带来的温度影响，顺利实现了存储 元与终篷宅鼹瓣燕兼容。 谯数据信息的控制下选择代表两种存储状态的电阻来简单地实现了对存储 元黪壤路模羧，实瑗了写痿号下存臻廷电路横鏊发生颧耀戆爨篷交揍，楚存镶 器的驱动电路设计提供可以使用的存储元电路模型。此存储元电路模型为本文 戆驱貔电爨设诗爨趸，成功缝捡溅了读数据毫鼹豹歪旗性。 完整地受现c r a m 从外部信号接口开始的驱动电路结构，此结构又分成掇 巷l 售擘摸块、躲宽选强攘块、读写控铡模块、译涎器号雾薅矩簿模块等分模块， 设计中，针对不同模块在存储器驱动中的不同功能，研究所有模块的内部结构， 设计秘研究墩骞模块斡内部骧理结构及功能撼述，劳爨残功蛾褥各个模块合骥 地衔接。 在驱动承路设计巾，原刨性地设计出了鬻骞转输门豹读数据电路结构，此 读电路不仅能与c r a m 驱动电路的其它部分宪好地结台，而殿能在写数据时控 制可熊存在的读数据的传输，避免不必要的数据于扰。 总之，本文研究的内容达至预定目标并篡有一定的创新慷和完整性，进一 步推动了c r a m 向成品他的发展。 关键字：硫璃化合物，楣变，热兼容，c r a m ，驱动电路 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h es t u d yo ft h r e ea s p e e 钰，i n c l u d i n gt h en o v e l c r a mc e l ls t r u c t u r ew h i c hc a r ld e c r e a s et h ew r i t ec u r r e n ta n ds i m p l i f yt h e f a b f i c a t i o np r o c e s s , t h ec i r c u i tm o d e lo fm e m o r yc e l lw h i c hr e f l e c t st h es w i t c h p h e n o m e n o no ft h er e s i s t a n c eo fc r a mc e l l a n di n t e g r a t e dc r a md r i v ec i r c u i b w h i c hc a ns t o r ea n dr e a dt h ed a t a t h ei - s h a p e df i g u r em e m o r yc e l lw h i c hi sc o m p o s e do f p h a s ec h a n g el a y e r + h e a t e rl a y e r + p h a s ec h a n g el a y e r i sp r o p o s e da c c o r d i n gt ot h et h e r m a lc o m p a t i b i l i t y b e t w e e nm e m o r yc e l la n dt h ep e r i p h e r yc i r c u i t sf o rt h ef i r s tt i m e + n l ch e a t e rl a y e r w h i c hh a ss m a l l e rs i z et h a np h a s ec h a n g el a y e rh e a t st h ep h a s ec h a n g el a y e r s 砸魄 t w ot e r m i n a l ss i m u l t a n e o u s l y o nt h eo n eh a n d , i ti so b s e r v e dt h a t t h er e s e tc u r r e n to f c e l li sd e c r e a s e da c c o r d i n gt ot h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ns i m u l a t i o no ft h em e m o r y c e l lw i t ht h i ss t r u c t t t r ed u r i n gt h ep h a s ec h a n g ei n d u c e db yt h eh e a t i n gc u r r e n t o nt h e o t h e rh a n d , 旗斑t h i s $ t r t l c t n r e ，t h et r a n s i s t o rc a ns t a n dt h et e m p e r a t u r ew h i c h c o n d u c t sf r o mc e l lw h e nt h em a t e r i a lc h a n g e si t sp h a s eu n d e rt h eh i g ht e m p e r a t u r e s o ，t h et h e r m a lc o m p a t i b i l i t yb e t w e e nm e m o r yc e l la n dt h ep e r i p h e r yc i r c u i t si s a c h i e v e d f o rt h ec i r c u i tm o d e lo fm e m o r yc e l l ，t w or e s i s t a n c e sa r es e l e c t e dt or e p r e s e n t t h et w os t o r a g es t a t e su n d e rt h ec o n t r o lo fd a t as i g n a l s t l l i sm e t h o da c h i e v e st h e a n t i c i p a t e ds w i t c ho f r e s i s t a n c eo f c i r c u i tm o d e lu n d e rt h ew r i t es i g n a l s 确em e m o r y c e l lc i r c u i tm o d e li sp r o v i d e dt ot h ed e s i g no f d r i v ec i r c u i t s a n dt h i sm o d e li su t i l i z e d t od e s i g nt h ed r i v ec i r c u i t so ft h i sd i s s e r t a t i o nf o rc h e c k i n gt h er a t i o n a l i t yo fr e a d c i r c u i to f c r a m 髓l cs t r u c t u r eo fd r i v ec i r c u i t si sa c h i e v e di n t e g r a l l ys t a r t i n gf r o mi n t e r f a c eo f e x t e r n a ls i g n a l s d r i v ec i r c u i t sa r ec o m p o s e do fc o n t r o ls i g n a lm o d e l ，p u l s ew i d t h s e l e c t i o nm o d e l ，w r i t e r e a dc o n t r o lm o d e l ，d e c o d e ra n dm e m o r ya r r a ym o d e la n ds o o n i nt h ed e s i g n , i n t e r n a ls t r u c t u r eo fe v e r ym o d e li ss t u d i e da c c o r d i n gt ot h e d i f f e r e n c ef u n c t i o no fr e s p e c t i v em o d e l t h e nt h ep r i n c i p l es h u c 眦a n dt h ef u n c t i o n l l d e s c r i p t i o no fe v e r ym o d e la r es t u d i e da n dr e s e a r c h e d a n de a c hm o d e li sc o n n e c t e d s u c c e s s f u l l ya n dl o g i c a l l y i nt h ed e s i g no fd r i v ec i r c u i t s ，t h er e a dc i r c u i tw i t ht h es t r b c t u r eo ft r a n s m i s s i o n g a t e si sd e s i g n e dc r e a t i v e l y t h i sc i r c u i tc a nn o to n l yb ec o n n e c t e dw i t ho t h e rm o d e l s o fc r a md r i v ec k c u i t sc o r r e c t l y , b u ta l s oc a nr e s t r a i nt h et r a n s m i s s i o no ft h e p o t e n t i a lr e a dd a t ad u r i n gw r i t i n gd a t at oa v o i dt h ed a t ad i s t u r b a n c e i nc o n c l u s i o n , t h es t u d i e so ft h i sd i s s e r t a t i o nr e a c ht h ea n t i c i p a t et a r g e t s 稍像 s o m ei n n o v a t i o na n di n t e g r i t y , t oi m p e lc r a mt 0d e v e l o pt o w a r dt h ep r o d u c t k e yw o r d s ：c h a l c o g e n i d e ，p h a s ec h a n g e ，c r a m ，t h e r m a lc o m p a t i b i l i t y , d r i v ec i r c u i t 疆l 独创性声明 本入声明，所黧交的论文是本人在导师指释下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表竣撰霉过豹研究成票，也不镪会为获褥武汉理工大学或菸它教育枫擒豹掌擅或 证书瓶使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所傲的任何贡献均融在论文中 作了明确的说明并袭示了谢意。 赣：竺! ：! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留、 送交论文豹复印件，允许论文被焱阕和借鲴；学校可以公布论文豹全都或部分内容， 可骧采用影窜、缭簿或萁饱复割警段保存论文。 ( 保密的论文在解密后殿遵守此规定) 签名：匍毫移导师签名： 日期 瓣l 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 在对人类资源的和平开发或军事竞争中，太空环境无疑拥有着诱人的前景。 1 9 5 7 年，前苏联成功发射第一颗人造地球卫星；1 9 6 9 年，美国人率先登上月球； 2 0 0 3 年，中国坤 五”飞船载人飞天；美国人完成了火星探测和软着陆计划，正 进行木星探测，并准备于2 0 1 5 年登陆木星；2 0 0 7 年1 0 月，中国嫦娥一号卫星 发射升空奔向月球，此探月计划的四大目标之一是绘制月球表面三维图像，精 确定义月球表面基本结构和形貌，确定月球的形状、尺寸、质量分布和密度， 识别月球作为陆地行星的年代和历史，进而为选择软着陆地点和建立月球空间 站提供数据等等。在这些空间科学研究探测中，探测器等设备须携带电子器件 在空间辐射环境尤其是地球磁气圈下工作，大量的信息需要识别并存储送回地 球进行处理。在宇宙开发过程中，随着探测的空间范围越来越深，研究环境越 来越恶劣，工作越来越细致，需要存储的空间信息越来越多。空间的辐射环境 对地球轨道卫星和行星间飞行的宇宙飞船上的所有电子元件都提出了明确的辐 射风险问题。自然空间环境存在的电子粒子，如电子和质子，对半导体存储器 造成的离化损伤的积累效应是非常严重的。因此，在空间科学研究中，需要使 用具有存储密度大、可靠性高、体积小、重量轻、存储速度快、功耗小、具有 强的抗辐射能力和非易失性随机存储等特点的固态存储器。 现阶段广泛使用的非易失性固态存储器包括：由电荷的积累决定信息存储 状态的只读存储器r o m ( r e a d - o n l ym e m o r y ) 、电可编程只读存储器e e p r o m ( e l e c t r i c a l l ye r a s a b l ep r o g r a m m a b l er e a d o n l ym e m o r y ) 、闪烁存储器f m ( f l a s h m e m o r y ) 、硅氧化物氮化物氧化物硅存储技术s o n o s ( s i l i c o n - o x i d e - n i t r i d e - o x i d e s i l i c o n ) ；晶体中的离子移动使晶体发生形变而出现的电极化决定信息存 储状态的铁电随机存储器f r a m ( f e r r o e l e c t f i cr a n d o ma c c e s sm e m o r y ) 电子 的自旋状态决定信息存储状态的磁随机存储器m r a m ( m a g n e t i cr a n d o m a c c e s sm e m o r y ) 。它们的共同特点是带电粒子的状态决定信息的存储状态。 空间辐射环境可以划分为两大类：一类是被捕获在行星磁气圈中的辐射粒 武汉理工大学硕士学位论文 子，觳括电予、质子和一些重粒子；筠一类怒太阳耀斑和霹凳物质据掰释放的 高能辐射粒子( 太阳质子和太阳重粒予) 和银河宇宙射线中的瞬间高能辐射粒 子。空闻辐射环境的露粒子通避半导体材辩时，释放毫子空穴对，失撵动能惹， 沉积在半导体材料中；空间辐射环境中的高能轻粒子( 质子、中子) 通过半导 体耪辩对，与半导体誊孝瓣静舔予发生弹往碰攘、发= 翥季糕移y 鞍子、发熏蜕变爱 应等，产生带电粒子并沉积在半导体中。沉积的带电粒子在半导体中移动，蠛 积在一些敏感嚣壤，袄两破环存储器翁带电缎子获态；蒂鑫麓静空瑟辐象粒予 ( 质予、中予、重粒予和a 粒子等) 对基于电子自旋状态的m r a m 产生误码 影镌。 空间辐射环境下商能量和离通量的辐射粒子，不可能用屏蔽的方法消除其 影壤，嚣置，辐射较予吴窍积累效痤。霾筵，基于带瞧粒子状态豹霞态存貉技 术受空间辐射环境的影响是固有的，需要研制新型的抗辐射、非易失性随机存 德器卷满是靛窆靛天秘空润辩学疆究豹需要。 另外，目前占非易失性存储器市场主导地位( 约占9 0 ) 的存储器为闪烁 存薅嚣f m 。毽是在f m 孛，赣熬数瓣苓憨囊接覆盖l 麓数摆，需要毙窍擦除， 这样就会考验其相对低的编程j 察除疲劳限制，需要复杂的数据处理算法，如无 溪数攒毅集、缀裁调整等h 】。f m 主要是逶过趱艇缓羚憝掇存谤器豹鳃决办法来 处理数据的移动，因此，其非易失性地保存1 b y t e 数据需要缀过复杂的四步操 终强：第一步，将要改交数据懿数据区“鸳下”移送至d r a m ；第二步，农d r a m 中改亵其所需要的i b y t e 数据；第三步，将所需改变数据的数据区“擦除”，即 全部瀵为数攒“i ”；第四步，将d r a m 孛改变好的数握编程囊f m 掇应区中， 即改麓成功。因此，骚想大幅度提高存储器的数据读霹速度，能够随机存储任 意1 b y t e 数搬，需要磺劁薪型鼹能壹接读写数摆兹嚣易失性隧机存锉器来满怒 存储器市场需求。 鞭硫属摆变存储器c r a m ( c h a l c o g e n i d eb a s e dp h a s e - c h a n g er a n d o m a e e e s s m e m o r y ) 以熊优越的性能满怒了存储器的抗辐射、菲易失性、能直接读写数据 等的发展需求，正逐步向主流存储器发展。 1 2c r a m 的存储原理 新型相交存储器c r a m ，以硫属化合物相变材料为存储介质，通入写电流 产生焦耳热便存褚余矮发生霹遂静缩梅褶交，； ! | 震穗燹伤震纛螽态和嚣螽态络 2 武汉理工大学硕士学位论文 构相之间高达四个数量级的阻值差来表征和存储二进制数据0 和“1 ”；在不破 坏其材料结构相的条件下给存储元以适当的电流或电压脉冲，通过测量出的阻 值状态读取所存储的信息。可用于c r a m 的硫属化合物有多种，如g c t e a s s i 、 g e t e 、g e s b t e 、i n t e 、a s s b t e 、g e s b t e - n 等 3 1 ，其中研究最为成熟的是非晶 锗锑碲合金g e 2 s b e t e 5 ( 简称g s t ) 。 c r a m 存储和识别信息的具体操作过程为： 复位( r e s e t ) 操作：给存储元相变材料加上宽度很窄、强度较大的电压或 电流脉冲，电能转化成焦耳热能，使相交材料温度上升到熔化温度以上并熔化， 晶态硫属相交材料的长程有序结构遭到破坏，而后在快速冷却条件下使其来不 及结晶而呈现非晶态，从而实现从晶态向非晶态的转化： 置位( s e t ) 操作：给存储元相变材料加上宽度较长而强度适中的电压或电 流脉冲，电能转化为焦耳热，使相变材料温度上升到晶化温度以上熔化温度以 下，并持续一段时间，材料有足够时间实现成核和晶粒生长，最终使相变材料 变成长程有序的晶态结构； 读( r e a d ) 操作：给发生相变的存储材料加上宽度较长而强度很弱的电压 或电流脉冲，利用此脉冲体现和识别出相变材料的电阻大小，从而判断存储元 的电阻大小即识别存储元存储的信息。此时的电流只能使相变材料温度上升到 玻璃化温度以下，不会造成相变材料的结构相变，因而不会改变已存储的信息。 ； 量h t t m e 图1 - 1 存储元相变温度随时间变化图【4 】 3 武汉璎王大学硕士学位论文 在加热条件下符合存储要求的相变材料温度( 反映电流或电压脉冲宽度) 随时问变化规律如图1 - 1 所示1 4 l ，其中，t a 为环境温度，t x 为相变材料的晶化 湛度，t m 为箕络纯温度，t l 为菲爨化快速冷却对阅，t 2 为晶纯脉冲宽度。 c r a m 存 港技零巅羹鞠交奉| 辩g s t 嚣隧获蓬大夺采存耱羡患。g 簖黪貘 的结晶状态决宓它的阻抗值大小，诼g s t 薄膜的结晶状态由脉冲电流加热产生 焦耳热( 短时间内达6 0 0 以上) 改变，因此足够的焦蝉热是改变g s t 薄膜腑 结晶状态以存储信息的必要条件。两空间辐射的最终形式是带电粒子的沉积和 电荷积累，可以产生电场和磁场影响基于带电粒予状态的存储技术，但怒檄难 产生捷g s t 薄貘发生结梅摇交熬爨辑热，嚣魏基于耱辩绪拇程交豹c r a m 存 储技术兵毒缀强翡抗空闻辐射能力。 c r a m 的优良特性还表现为磷l ： 数据保持：1 1 6 下数据保持1 0 年； 操作性能；读操作时间， t ， 互i 嘲= i 嘲，f = 1 ，6 ； 1 9 ( 2 2 ) 武汉理工大学硕士学位论文 s , q - 等 x = x i = s j - 警k ( 2 - 3 ) 在考虑最上层和最下层的边界条件时，为了更接近真实情况，考虑了存储 元与外界的温度辐射散热问题，辐射散热公式为： 一k 兰l = e c r ( t 4 一万) ( 2 - 4 ) 佩 。 正是第i 层的温度，劫是第i 层材料上边界到底层的距离，几是第f 层材料 的电阻率，墨是热导率，c f 是材料的比热，j 是通入存储元的脉冲电流大小， s i 是第i 层的截面积，嘶2 k i ( p i c , ) ，n 是物质的质量密度，o = 5 6 7 x 1 0 8 w ( m 2 k 4 ) 为斯蒂芬玻尔兹曼常数，为实际物体表面的发射率( 黑 度) ，一般导体取值0 2 ，半导体取值o 8 3 1 1 。 最后根据差分条件下的热传导方程和边界条件，用计算机语言f o r t r a n 编 程，通过调整存储元各层材料的厚度、电流脉冲的大小以及电流脉冲的宽度来 观察其温度变化，根据需要计算出在不同时刻( 不同的t 值) 和存储元不同位 置时的温度l 根据相变前后存储元电阻值( 包括了电流通过的位线电阻值和n 型层硅的电阻值) 之比至少大于1 0 0 3 2 1 来确定所发生的相交是否满足存储器存 储和识别信息的需要。并作出我们需要考察的图形，通过不同角度的比较，以 确定相对合理的结构设计。具体的程序源代码见附录l 。 2 4 3 温度及结构分析 在计算过程中，主要着眼于在较大写电流即h e s c t 下，存储元内部的热分 布以及对c m o s 电路即本结构中的n m o s 晶体管的温度影响。为便于比较， 本文计算中采用的加热持续时间t p = 1 5 n s ，即为l a i 等人【1 2 j 研究的3 0 n s 的复位 脉冲的一半，使用1 5 n s 加热，再使用1 5 n s 时间观察存储元冷却时的温度变化 情况。计算中使用的特征尺寸f = 1 2 0 n m ，此参数是s a m s u n g 公司于2 0 0 6 年推 出的测试样片的特征尺寸。在计算程序中，直接求出相交前后存储元( 包括电 流通过的n 型硅和部分位线) 的电阻值之比，如果大于1 0 0 ，则说明此结构的 存储元的电阻变化可供比较和识别，能正确识别所存储的信息；通过观察存储 元底电极w 与n m o s 晶体管的交界面处的的温度分布，如果其最高温度小于 8 5 c 1 3 3 1 ，则说明此结构的存储元在高温相变时不会使c m o s 电路的温度大于其 所能承受的温度，存储元可与c m o s 电路热兼容。 武汉理工大学硕士学位论文 从计算模拟中看出，存储元结构的各层材料的具体厚度参数、电流脉冲的 宽度、写电流的大小之间相互制约相互影响，但是这三者又同时受到相变前后 阻值之比能否大于1 0 0 和存储元能否与c m o s 电路热兼容这两个因素的限制。 在这两个限制因素之下，结构设计的目的还在于使写电流尽可能减小。目前， 如表2 1 所示，研究比较成熟而且量值相对较小的复位写电流为i m a 。 根据上述结构层以及建立的差分热传导方程，并通过调整参与计算的各层 材料的厚度，以及调整写电流参数和脉冲宽度，最终在复位写电流i r e s e t = 0 6 m a 的条件下，建立了可供分析的满足存储器存储读写要求的结构模型，即在从下 到上p - s i n s i w g s t c g s t a i 的结构下，各层厚度分别为1 0 0 1 0 1 0 0 5 0 5 5 0 1 0 0 n m 。 图2 8 是针对此结构计算模拟的在加热脉冲结束( 即各点温度达到最高) 时的g s t 层中相变点的温度分布。可以看出其温度分布较好地符合图1 i 中复 位( r e s e t ) 脉冲时的温度变化曲线，其中6 3 2 即g s t 的熔化温度t m 4 1 。 图2 - 9 是对n 型层硅与w 电极之间接触点的温度随时间分布模拟图。从中 看出，w 电极底层的最高温度低于4 3 ，低于c m o s 能承受的8 5 ，不会由 于加热对n m o s 晶体管造成影响，满足存储元与c m o s 电路热兼容的要求。 o 05l o1 5 衢3 0酾4 04 55 0 t i m e n s 图2 - 8g s t 层中相交点的温度分布 2 l or、暑巴9de9j 武汉理工大学硕士学位论文 01 02 03 04 0 ：5 06 07 08 0 g o1 1 1 0 1 3 m e ，n 8 图2 9n 型层硅与w 电极接触点的温度随时间分布 因此，本文的结构相比目前其他的c r a m 结构上的研究，不同之处在于合 理利用了g s t 相变材料的隔热功能，使用了特殊的第一g s t 相变层+ 加热电 极+ 第二相变层的“工”形结构，不仅在理论上给出了其可能的优良性能的论述， 而且通过模拟计算热场分布给出了较好的证明。在热分析时，本发明通过热传 导方程计算存储元的温度分布，采用了热辐射散热来分析上下边界的温度条件， 明确了此结构不仅满足存储器存储读写功能，而且存储元的热扩散符合c m o s 的温度承受能力，较好地实现了存储元与c m 0 s 电路的热兼容。 2 5 本章小结 本章从c r a m 结构设计应该注重的要实现抗强辐射、抗电子干扰能力和实 现体积小、存储密度高、工艺简单的等方面特点出发，仔细考察和分析了 s a m s u n g 公司的边缘接触法、m e r g e r 等人的相变线存储元结构、c a r n e g i em e l l o n 大学的叩形结构等在存储元结构方面较为成熟的理论探讨，结合相变存储器的 特点和要求详细地指出了这三种结构存在的优劣，并通过理论分析比较在此基 础上提出了基于n m o s 晶体管的“工”型存储元结构。 本章介绍了所提出的基于n m o s 晶体管之上的 g s t 相交层+ 加热层+ g s t “匏弘匏斟 pi，巴暑巴oe9j， 武汉理工大学硕士学位论文 相变层”的“工”型存储元详细结构，并建立了以热辐射散热为边界条件的差分 热传导方程，通过计算模拟存储元的热分布，最终在t p = 1 5 n s 、f - - - - - 1 2 0 r i m 的条 件下确立了厚度分别为1 0 0 1 0 1 0 0 5 0 5 5 0 1 0 0 n m 的p - s i n - s i w g s t c g s t a i 存储元结构。 一方面存储元直接接于晶体管的漏极之上，这样设计出来的存储元结构考 虑了存储元与外围电路的结构兼容性；另一方面，在此结构下成功地降低复位 写电流i 。m 到o 6 m a ，并且满足了c r a m 存储元在高温相变的情况下热量扩 散不影响c m o s 电路，实现了与外围电路的热兼容性。 由于材料参数的选取，s i 的掺杂浓度【州，以及结构尺寸的选取会根据不同 的研究人员以及不同的制作环境有所改变，但在设计时，需根据本章提出的存 储器存储元与外围驱动电路的热兼容条件下实现存储器信息的存储识别功能。 武汉理工大学硕士学位论文 3 。1 号l 言 第3 章c r a m 存储元电路模型 瓣磷究对象遂器建模，怒疆究久爨在疆究过程中砖疆究对象瘊骰熬一释鬻 规操作。为了某种特定的目的，根据对象特脊的内在规律，做一些合理和必骥 鹩筠睨释缓设，运瘸逶当教数学窝惫予蒺熬鼍具，建怠蘑震建模，甏以摸叛辑 究对象的各种特性，进一步掌握研究对象的特征规律。根据对存储元的研究需 要，将建纛戆模型分为存镶元物理模型纛存德元毫黪模型。 ( 1 ) 存储元物理模型 携理模黧是班实嚣物理缕梅采用骞疆元、差分等诗算摸拟方法建立豹谤舞 分析模型。在c r a m 存储器的研究中，对于猩字线连接的选邋晶体管和位线之 闯的c r a m 存壤元戆物理原理及物璎模型已经缛到了广泛豹耢究。冀模型主簧 集中在相变闽值转换和结构相的扩散以及存储元的热分布方丽，并取得了较犬 进步。 p i r o v a n o 等人瑚馓据硫属相交存储材料g s t 的晶态和非晶态的微观结构， 提出了一个关于两种状态的原始能带隙模型，第一次使用存储器件模拟爨模揪 了电予转换开关及潜在的物穗杌翩，并使其计算的i 曲线与测试装置收集的 数据捆吻合。i d m i n i 等人1 3 6 】从相变元的l - v 特性曲线出发，不能检测到丝状棚 扩散，提出了硫属化含物堆式相扩散的证明，作为优化和减小相交存储器支持 了热模拟。p i r o v a n o 等人口7 】还依托微观模型，研究了c r a m 巾的低场电阻和阑 值电糕的时阅演变，观察出两者随时闻和温庹上升并稳定，因此改善了存储元 的读窗口。g i l l e 等人1 3 a 使用有限元模拟方法模拟了线形相交冗的电、热、机械 特毪，并祷剐研究了在复位和萱位操作中的稿变材瓣的机械特性影响，如结菇 化区域的改变，材料的松弛、依赖予杨氏模爨的相变等的影响。 这些纺瑗模壅，包括本文第二牵建立静麓分存储元温度分布模黧，获存储 元的物理结构特性出发，分析了存储元内部在电流焦耳热的影响下所表现出来 的湿度特性，考察了存储元豹电流嘏压特往，得出了为正确存储和谈澍存储嚣 信息所需要的读写电流脉冲大小及脉宽。因此，针对物理模挺的模拟，最终确 武汉理工大学硕士学位论文 定了存储元的存储识别信息的物理机制，以及实现信息存储的存储元外围电路 与存储元接口出的电特性和电参数。 ( 2 ) 存储元电路模型 电路模型是区别于物理模型的建模概念，其使用电子元器件搭建而构成类 似“黑盒子”的电路结构，其电路网络的两端能反映出物理模型的电学特性结果， 而其内部电子结构不一定必须反映物理模型的物理变化机制。 同其它任何存储器一样，c r a m 存储器的设计也应该包括各种不同的外围 电路设计，尤其是影响存储器存储性能的不同于其它存储器的驱动电路设计。 当然，集成电路设计的基本要求是首先进行电路仿真软件或者电路模拟器的建 模仿真，而模拟的先决条件就是需要集成电路的各个模块的有效模型。因此对 于c r a m 存储器的集成电路设计，需要一个存储元器件的电路模型。此存储元 电路模型能在外围电路设计和模拟中代替相变存储元用于电路中，这样可以保 证整个外围电路设计阶段无需在搭建的仿真平台中带入实际c r a m 存储元器 件进行考察，而是在设计阶段在模拟仿真软件中带入存储元电路模型进行研究， 以验证存储器c r a m 的存储特性及其它内容，极大地节省研究成本，实现电路 模拟的价值。 在已有的模型研究中，国内目前较少有做c r a m 存储元电路模拟的尝试， 国外目前比较成熟的是c o b l e y 3 9 , 4 0 和w e i t 4 1 , 4 2 1 等人的研究。其中w e i 的研究比 较细致，其主要思想是在通入的电流下，电路模拟存储元的物理过程，包括存 储元的温度变化( 熔化吸热和热扩散) 模型、存储元的相变模型、存储元的电 阻变化模型三部分内容。因此，其研究主要用电路建模反映了其物理机制，根 据存储元模型自己选取电路参数，也就是说，其电路模型起到的是存储元物理 模型的功能和作用。鉴于存储元物理模型的研究由来已久而且相对比较成熟， 此类电路模型已无太大必要，而且从存储元建模的目的可以看出，我们所需要 建立的存储元模型，主要是在已知的外部电流脉冲大小和宽度条件下，电路模 型能够反映存储元的电阻相变特征，其内部相交物理机制可以不要求在电路中 显现出来。c o b l e y 等人的研究相对来讲较为简单，反映了相变电阻的变化，满 足存储元电路模拟的目的要求，但是其突出部分即w o r dc i r c u i t s 部分由4 个开 关和r s 触发器组成，则存在较大的简化空间。 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 模型的建立 3 2 1 建模工具m u l t i s i m 本文研究中使用电路设计软件m u l t i s i m 进行电路的仿真和模拟。随着电子 技术的飞速发展，加拿大的i i t ( i n t e r a c t i v ei m a g et e c h n o l o g i e sl t d ) 公司早在 上个世纪8 0 年代后期就推出了用于电路仿真与设计的e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g n a u t o m a t i o n ) 软件e w b ( e l e c t r o n i c sw o r k b e n c h ) ，从e w b 6 0 版本开始l i t 公 司对e w b 进行了较大规模改动，仿真设计模块改为m u l t i s i m 。m u l t i s i m 是以 w i n d o w s 为基础的仿真工具。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述 语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。m u l t i s i m 是一个完整的设计工具系 统，提供了一个非常大的元件数据库，并提供原理图输入接口、全部的数模s p i c e 仿真功能、v h d l v e r i l o g 设计接口与仿真功能、f p g a c p l d 综合、r f 设计能 力和后处理功能，还可以进行从原理图到p c b 布线工具包的无缝隙数据传输。 m u l t i s i m 占用磁盘空间小，兼容性较好，其文件格式可导出为o r c a d 或p r o t e l 读取格式。 具体来讲，m u l f i s i m 具有的虚拟仿真仪器包括数字万用表、示波器、函数 发生器、瓦特表等电路分析常用虚拟仿真仪器，包括波特图仪、失真分析仪等 模拟电路常用虚拟仿真仪，包括字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换仪等数 字电路虚拟仿真仪，包括频谱分析仪、网络分析仪等高频电路虚拟仿真仪：其 仿真分析法具有六种基本分析( 直流工作点、瞬态分析、交流频率扫描、傅里 叶变换、噪声分析、失真分析) 、四种扫描分析( 温度扫描、模型参数扫描、交 流敏感度、直流敏感度扫描) 、两个高级分析( 零极点、传递函数) 、两种统计 分析( 最差情况、蒙特卡罗) 。其单一易用的图形输入接口和电路仿真设计能力 可以满足本文c r a m 存储元电路模型模拟的需要。 3 2 2c r a m 存储元电路建模 根据c r a m 存储器存储机理，在写数据过程中，c r a m 存储元工作在电 流脉冲下，每个数据对应于一个单脉冲电流或电压。对应于写入的0 、“1 ”数 据的区别，脉冲电流的大小和脉宽不同。在电路设计过程中便于统一，假定在 写o 脉冲下，存储元为高阻状态，在写“1 ”脉冲下，存储元对应低阻状态。由 于读写电流的大小及脉宽都是在存储元的外围电路中形成的，而且其具体的值 武汉理工大学硕士学位论文 可以通过各种形式的物理模型以及在存储元材料研究中得以确定，因此存储元 的电路模型只要反映出不同的写入数据0 和“1 ”对应的不同的电阻值状态，就 算完成了存储元电路模型模拟，而不必像w e i 等人的研究中在电路模型中考虑 写电流的大小、脉宽以及存储元的相变过程。 存储元电路模型为二端口模型，其两个端口分别为数据输入端口和特性输 出端口。输入端口为写入的“o ，1 数据，对应着电路的高低电压脉冲；输出端 口为电阻特性端口，对应不同写入数据下的电阻值，其中电阻值的识别需要外 加识别电路。 口 图3 1存储元电路模型的原理结构 如图3 1 所示为设计的存储元电路模型的基本原理结构，其包括反相器、 n m o s 晶体管、电阻。电阻r c r y s t a l 和r a m o r p h 分别代表存储元两个不同结构 相的电阻值，其中晶体管q 2 控制电阻器r c r y s t a l ，晶体管q l 控制电阻器 r a m o r p h 。当q l 导通，选通r a m o r p h ，代表存储元存储信息o ，；反之，当q 2 导通，选通r c r y s t a l ，代表存储元存储信息“1 ”。 在数据输入电压和反相器的作用下，q 1 和q 2 同时接受电平相反的电压， 因此，晶体管交替关闭和导通，即电路中单一时刻只接入一个电阻。具体来讲， 当数据为低电平o ”时，q 2 的输入端为低电平使其截止，同时，在反相器u 1 a 的作用下q l 的输入端为高电平使其导通，使特性端口接入电阻r a m o r p h ；当 数据为高电平“l ”时，q 2 的输入端为高电平使其导通，同时，在反相器u 1 a 的 作用下q 1 的输入端为低电平使其截止，使特性端口接入电阻r c r y s t a l 。结合 武汉理工大学硕士学位论文 c r a m 存储机理分析及建模过程描述，此电路模型已基本满足需要。 3 2 3 模型修正 由于代表写入数据的电压v d a t a 的高低电平控制着晶体管q 1 和q 2 的交替 导通和关闭，从而控制电路接入电阻值的大小为r a m o r p l a 或r e r y s t a l ，因此这 部分电路是c r a m 相变阻值的主要部分。为了保证电路阻值的准确性，在存储 器读写操作中应该考虑晶体管元件的开关电阻值，其在晶体管截止时为r o m 导通时为r o n 。那么等效的非晶态阻抗模型应包括附加补偿阻抗r e o m p ，它与 非晶态阻抗串联，用来补偿与之并联的晶体管q 2 截止时引入的电阻效应，其 补偿电阻值可以确定为【钟j ： r 唧* 砀系蒜。 ( 3 - 1 ) 而晶态阻抗值则需要与之并联一个二极管分支，用来模拟在高输入电压下 非晶态存储元显示的非线性输出的高电流。因此，新的更接近实际的存储元电 路修正模型可见图3 - 2 。 图3 2 电阻修正的存储元电路模型 口 武汉理工大学硕士学位论文 图3 3r s 触发器控制下的电路模型 在存储元的电路模型建立中，同时也可以如c o b l e y 等人使用r s 触发器结 合反相器来控制选通m o s 晶体管，见图3 3 。 3 3 存储元电路模型的测试分析 对于此c r a m 存储元电路模型，需要在读写数据操作即施加读写电压或电 流的情况下加以验证。由于在电路模型的设计过程初始就是使用写数据操作并 使用晶体管的导通和截止来改变存储元电阻的，如果将其应用在存储元的驱动 电路的时候以验证驱动电路的驱动能力时，可以不去除此存储元电路模型中的 写数据脉冲，而是将其写电压脉冲的参数与驱动电路的写电压参数一致正常驱 动存储元电路模型来选择电阻，而驱动电路的驱动电压就可以使用一个电压控 制电压源施加到电阻上以可以完成检验功能。 而要验证本章的存储元电路模型，就需要在读数据测试电路下对模型进行 检测识别，以判断在写数据脉冲的交替变化的电压下，存储元电路模型中的电 阻是否按照预期要求进行了改变。为了比较接近实际操作中真实的暂态响应以 便识别存储元模型电阻值大小，在识别电路设计过程中，考虑了元件接触和线 路本身的包括寄生电感、寄生电容和寄生电阻的寄生元。 测试识别电路【柏】的识别电压即读电压加在存储元电路模型的特性端口，根 据存储元不同状态下的不同电压值而显示不同的电流值，然后在特性端口使用 一电流控制电流源1 1 将特性端口的电流引出便于识别，再加上上述各种寄生元， 武汉理工大学硕士学位论文 组成了存储元的读数据测试识别电路，此电路将存储元的有效阻抗转化为所期 望的有效输出电流。其中，电流控制电流源1 1 的增益为1 ，存储元的有效阻抗 为z c e l l ，因此其电流大小为： 1 1 ；v r e a d 。( 3 2 1 z c e l l 对图3 2 所示的存储元电路模拟模型使用上述读数据测试识别简单电路后 见图3 - 4 。在读数据识别电路下检测到的电压波形如图3 5 所示。此识别电路不 是真正意义上的c r a m 存储器的读电路，而只是用在此处的识别存储元电路模 型中的电阻值是否按照预期进行了变化。 其具体工作过程为： 如果v d a 协输出低电平以写入数据0 ，由于反相器的反向功能，那么n m o s 管q 2 栅极输入高电平，晶体管导通，电阻r c o m p 和r a m o r p h 接入电路，即电 路显示非晶态特征电阻；同时q 1 栅极输入低电平，晶体管截止，电阻r c r y s t a l 及其并联二极管与电路断开连接。此时接入读电压v r e a d 后，电阻1 1 的电流为 接入的非晶态电阻在读电压下的电流，此电流由电流控制电流源输出，然后电 阻r l 将输出电流转化为电压以供识别。图3 5 的波形即为电压波形，其较低波 形代表着电流1 1 较低，因此说明存储元电阻较大，反映出存储元已存储数据o ”。 图3 - 4 存储元的读数据识别简单电路 3 0 武汉理工大学硕士学位论文 同样地，如果v d a t a 输出高电平以写入数据“1 ”，q 1 栅极输入高电平，晶 体管导通，电阻r c r y s t a l 及其并联二极管与电路接通；同时，由于反相器的反 向功能，q 2 栅极输入低电平，晶体管截止，电阻r c o m p 和r a m o r p h 与电路断 开，因此电路显示晶态特征电阻。此时接入读电压v r e a d 后，电阻i l 的电流为 接入的晶态电阻在读电压下的电流，此电流由电流控制电流源输出，然后电阻 r 1 将输出电流转化为电压以供识别，图3 5 的电压波形中较高波形代表