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高密度非挥发存储体系的建模与设计摘要 摘要 本文以下一代非挥发存储器的高密度解决方案为中心，针对相变存储器和阻 变存储器分别进行了探索性的研究。在评估了相变单元多值存储的可行性后，我 们提出并实现了基于物理机理的多值相变存储单元h s p i c e 模型；在高密度的相 变存储阵列中，我们提出了对称位线补偿、步进字线电压补偿、反馈模式字线电 压补偿等旨在解决位线寄生电阻电压降问题的创新方案。为了验证阻变材料在高 密度存储阵列及外围电路中工作的有效性，我们提出并实现了基于s c l c ( 空间 电荷限制电流) 机理的阻变存储单元h s p i c e 模型；基于3 d 存储阵列概念，我 们提出并验证了选通管复用的阻变存储器结构。 关键词： 非挥发存储器；相变存储器；p 洲；p c 黜w ：p c m ；阻变存储器；r r a m ； 高密度；建模；多值存储；1 t x r 中图分类号：t n 4 0 2 高密度非挥发存储体系的建模与设计 摘要 a b s t r a c t i nt h j sp 印e r 、ei n v e s t i g a t ei n t ot 1 1 ed e s i g i lo fp r a m ( p h a s ec h a i l g er a n d o ma c c e s s m e m o 巧) a i l dr ra m ( i 沁s i s t i v er 锄d o ma c c e s sm e m o 巧) i nt l l eq u e s tf 0 rh i 曲 d e n s 时s o l u t i o n so fn e x tg e n e r a t i o nn o n v o l a t i l em e m o r i e s o ne v a l u a t i n gt l l e f e a s i b i l i t ) ro fm u l t i l e v c ls t o r a g e ，w ep r o p o s e 锄dr e a l i z eam u l t i l e v e lh s p i c em o d e l b a s e do np h y s i c a lm e c h a i l i s m sf o rt l l e p h 嬲ec h 觚g em e m o d rc e l l w ep r o p o i r u l o v a t i v es o l u t i o n so ft l l e s y m m e t r i cb i t l i n ec o m p e n s a t i 蚰，t h es t e p p i n g w b r d i i n ev b l t a g ec o m p e n s a t i o na n dt h ew o r d k n ev b l t a g ec o m p e n s a t i o nw i t h f e e d b a c ka i m e da ta d d r c s s i n gt l l ev o l t a g ed r o po v e rp 撇s i t i cb “l i n er e s i s t a l l c e i l l o r d e rt 0v a l i d a t et l l e 印p l i c a t i o no fr e s i s t i v em a t e r i a li nam e m o r ya r r a ya n di t s p e r i p h e r a l s ，、ei m p l e m e n t 觚h s p i c em o d e lb 嬲e do ns c l c ( s p a c ec h a 玛el i i i l i t e d c l l r r e n t ) f o rt l l er e s i s t i v em e m o 巧c e l l f u r c 】k n i l o r e ，m e rt h e3 ds t o r a g ec o n c 印t ，、张 p r o p o s et l l e1 t x rr e s i s t “em e m o r ya r r a ya r c h i t e c t l i 阳a sw e l l 硒m e 印p l i c a b l e e n v i r o n m e n t s k e y 、o r d s ： n o n v o l a t i l em e m o 巧；p h 嬲ec h a i l g em e m o r y ：p r a m ；p c i 乙气m ；p c m ；r - e s i s t i v e 胁l d o ma c c e s sm e m o 巧；r r a m ；h i 曲d e n s 时：m o d e l l i n g ；m u l t i l e v e ls t o r a g e ； l t x r c h i n e s el i b r a r ) rc l a s s i f i c a t i o n ：t n 4 0 2 2 高密度非挥发存储体系的建模与设计 导论 第1 章导论 距今7 0 0 万年前，当人类祖先在石壁上刻下第一组会意图案，基于外部工具 的信息传承和延续就注定成为了推动历史车轮滚滚前进的永恒主题。 从甲骨文字到印刷术，从磁盘阵列到微型芯片，存储技术的每一次进步都颠 覆着传统信息体系的内涵和外延。据统计，目前全球的数据总量大约在1 6 1 0 亿 g b 左右，这个数量相当于人类有史以来全部书籍所含信息量的3 倍。2 0 0 7 年， 人类创造的信息量首次在理论上超过了可用存储空间的总量。在这个信息爆炸的 年代里，人们前赴后继，不断寻求全新的载体，本文即致力于集成电路工业中高 密度非挥发存储技术的研究和开发。 1 1 当代非挥发存储体系 非挥发存储体系是相对于以s 洲( 静态随机存储器) 和d 删( 动态随机 存储器) 为主流的挥发存储体系而言的，前者可以在掉电的情况下长久保持信息 原状，而后者只能在带电的条件下临时存放数据。 当代非挥发存储体系主要分为以下几个阵营： 1 1 1e p r o m e p r o m ( e 删s a b l ep r o 伊a m m a b l er e a d o m ym e n l o r y ) 是最早期的可编程只读 存储器，如图1 1 所示，它由一系列的浮栅晶体管组成。一旦浮栅中存入电荷， 就可以使晶体管的阈值电压发生改变，从而改变存储的数据状态。基于热载流子 注入效应，e p r o m 可以通过独立的编程器件用高电压进行编程，但若需要进行 擦除操作，则必须从载板上卸下，用紫外光照射封装上留出的透明窗口约2 0 分 钟，将所有浮栅中的电荷全部驱除。由于e p l 的m 用一个晶体管来存储一位数据， 因此可以应用在较高密度的场合中。 3 高密度非挥发存储体系的建模与设计 导论 1 1 2e e p r o m 图1 1e p r o m 剖面图 e e p r o m ( e 1 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 - 0 n l ym e m o r y 电可擦除可 编程只读存储器) 是在e p r o m 的基础上改善得到的另一种非挥发存储器，基于 载流子的场发射效应，e e p r o m 的编程和擦除都可以采用电信号操作的方式， 从而回避了e p r o m 需要片下紫外光来擦除的缺点。然而，e e p r o m 的每一个 存储单元都包含了更多的晶体管，导致其成本较高，从而只能应用在较低密度的 场合中( 一般小于1 m b i t ) 。 1 1 3f l a s h 存储器 上世纪9 0 年代初，手机、p d a 等移动电子设备的兴起推动了对高密度、高 可靠性存储产品的迫切需求，f 1 a s h 存储器被半导体巨头i n t e l 选中，从实验室走 向了工业舞台，广泛应用到各种便携式电子产品中。其存储市场占有率从1 9 9 0 年的o 3 一路攀升到2 0 0 6 年的3 4 4 ，至今仍主宰着非挥发存储领域的绝大多 数应用。 f l a s h 存储器( 快闪存储器) 是一种特别的电可擦除可编程存储器，它整合了 高密度非挥发存储体系的建模与设计导论 e p r o m 的高密度和e e p r o m 片上可擦除的优点，采用热载流子注入效应来进 行编程操作，场发射效应来进行擦除操作。“f l 嬲h 取名于采用块的方式进行擦 除，以区别e p r o m 和e e p r o m 的按字节擦除，因此其擦除的速度比后者要快 得多。 f l 础存储器主要分为两大结构类型：n o r 和n a n d 。 如图1 2 所示，n o r 是当 今f l a s h 领域中最流行的阵列 结构，它也被广泛应用于 e p r o m 和e e p i 的m 中，存 储阵列中的所有单元以并列 的方式连接，其最大的面积来 自于金属线与扩散区的连接， 其阵列中的每两个单元就需 要一个接触孔，因而在所有 f l a s h 存储器中占用最多的面 积。 b 硅 b l t2 确删 s b e e t b h 鳓t 2b n 3 图1 2 n o r f l 舔h n o rf l 础允许对存储阵列中的任意一位进行 随机访问，因而具有较高的读取速度，密度一般可 达l m b 1 g b ，一般用于代码和指令的存储和执行。 为了减小存储单元尺寸，人们开发出了单元见互 相串联的n a n d 型存储阵列结构，如图1 3 所示。 图1 4 说明，在同样的特征尺寸下，n a n d 结构 可以提供更高的阵列密度。 n a n d 结构的一个致命弱点在于，由于多个晶 图1 3n a n df 1 a s h 体管的串连，灵敏放大器在读取存储单元的状态时， 采集到的信号比n o r 结构下弱得多，这导致n a n d 单元的访问速度明显下降，在随机访问应用中失去竞争力，不得不通过系统级的 串行访问模式来弥补。 5 高密度非挥发存储体系的建模与设计导论 n a n df l a s h 只能按一定的次序来读取存储阵列中的单元，需要较长的初始访 问时间，但它的密度可以高达6 4 m n l 6 g b ，且编程和擦除速度远远高于n o r n o r ：e l l f i 舶越n gg i l t e 图1 4 n o r c e l l 与n a n d c e 的比较 f l a s h ，一般用于海量数据的连续存储。 表1 1 总结了n o rf l a s h 和n a n df l 抽各自的特点。 参数n o rn a n d 密度 l m b i t 1 c m i t6 4 m b i t 1 6 g b i t 初始访问时间 5 5 l l s 1 0 ，0 0 0 i l s 顺序访问时间9 l l s 5 0 i l s 编程速度 o 3m b y t e s s 2 6m b y t e s s 擦除速度 o 2m b y t c s s 8 2m b y t e s s 访问模式随机顺序 应用场合代码指令的存储与执行海量数据文件存储 表1 1n o rf l a s h 与n a n df l a s h 的对比总结 6 高密度非挥发存储体系的建模j 设计 导论 1 1 4 磁存储器 磁存储器( m 删) 是一种利用磁性原理实现数据保存的非挥发存储器，最 早于上世纪8 0 年代被首次提出，其基本结构如图1 5 所示。 w r i t el i n e1 图1 5m r a m 结构不意图 磁存储阵列的每一个m t j ( m a g n e t i ct u n n e l j u n c t i o n ) 单元由一个铰接磁层 ( f i x e dm a g n e t i cl a y e r ) 、一个氧化物隧穿层( d i e l e c t r i ct m u l e lb a 州e r ) 和一个自由 磁层( 舶em a g n e t i cl a y e r ) 组成，它与下方的选通晶体管构成一个l t l m t j 结构。 m t j 元件由上下两根操作线产生的磁场调制自由磁层的磁矩( m a 盟e t i cm o m e m ) 即电子的自旋方向来改变数据存储状态，当铰接磁层与自由磁层磁矩平行( 电子 自旋方向相同) 时，m t j 结构表现出较低的阻值，当两者磁矩反平行( 电子自 旋方向相反) 时，则表现出较高的阻值。开启与m t j 结构相连的选通管时，可 以通过灵敏放大器检测存储单元流过的电流，由此判别存储的数据状态。 磁存储器的通过改变磁性材料的电子自旋方向来改变数据存储状态，因而在 理论上具有无限次的可擦写次数。此外，磁存储器的读写访问速度可达数十纳秒， 几乎与s r a m 相当，因而适用于追求高速的应用场合。然而，由于磁性材料的 高密度非挥发存储体系的建模j 设计导论 工艺复杂度较高，且存在与通行c m o s 工艺的兼容性问题，因而限制了其在半 导体工业中的发展规模。 1 1 5 铁电存储器 铁电存储技术最在1 9 2 1 年提出，直到1 9 9 3 年美国胁n 们n 公司成功开发出 第一个4 k b 的铁电存储器产品，目前所有的铁电存储器( f 亿心们e 删) 产品 均由吼们n 公司制造或授权。 铁电存储器利用铁电晶体的铁电效应实现数据存储。铁电效应是指在铁电晶 体上施加一定的电场时，晶体中心原子在电场的作用下运动，并达到一种稳定状 态；当电场从晶体移走后，中心原子会保持在原来的位置。这是由于晶体的中间 层是一个高能阶，中心原子在没有获得外部能量时不能越过高能阶到达另一稳定 位置，因此铁电存储器保持数据不需要电压，也不需要像d 洲一样周期性刷 新。由于铁电效应是铁电晶体所固有的一种偏振极化特性，与电磁作用无关，所 以铁电存储器的内容不会受到外界条件( 诸如磁场因素) 的影响，能够同普通 r o m 存储器一样使用，具有非挥发的存储特性。 铁电存储器的存储单元主要由铁电电容和场效应管构成。前期的f 洲的每 个存储单元使用2 个场效应管和2 个电容，称为“双管双容 ( 2 t 2 c ) ，每个存 储单元包括数据位和各自的参考位，简化的2 t 2 c 存储单元结构如图1 6 a 所示。 2 0 0 1 年黜m 昀n 设计开发了更先进的“单管单容”( 1 t 1 c ) 存储单元。l t l c 的 f 删所有数据位使用同一个参考位，而不是对于每一数据位使用各自独立的参 考位。1 t 1 c 的f r a m 产品成本更低，而且容量更大。简化的l t l c 存储单元结 构( 未画出公共参考位) 如图1 6 b 所示。 铁电存储器的特点是读写速度快，可达数百纳秒的量级，操作功耗低。但是 如同d 洲一样，对铁电电容的读取是破坏性的，读取以后需要把数据再写回 到原来的存储单元中。因而使铁电存储单元的读写访问次数受到制约。此外，铁 电材料的制作工艺复杂，至今仍无法同通行c m o s 工艺较好地兼容。 高密度非挥发存储体系的建模与设计 导论 位线( 数据位)位线( 参考位) ( a ) 线 电极允许 位线 电极允许 厂 杀 l o - _ l 。， l 。1 图1 6 ( a ) 2 t 2 c 铁电存储单元 ( b ) l t l c 铁电存储单元 1 2 非挥发存储体系的新发展 迄今为止，工业界尚未找到一种适用于所有应用场合的通用非挥发存储器， 其主要原因在于目前所有的非挥发存储器都存在各自的缺点，如表1 2 所示： e p r o me e p r o mf l a s h 存储单元中等中等小 尺寸 m r a m 中等 f e r a m 中等 9 高密度非挥发存储体系的建模与设计 导论 读出模式非破坏性非破坏性非破坏性非破坏性破坏性 访问速度 5 0 15 0 n sl 叽5 0 n s 1 0 5 0 n s 4 0 8 0 璐 擦写速度 10 二，1 0 0 n s lus2 5 1 0 0 眦1 0 0 1 5 0 n s 可擦写 1 ( ) j1 0 6无限次1 0 1 2 次数 功耗 t l ， 中等低 低 c m o s 兼容赧7 #兼容特殊工艺特殊工艺 工艺兼容性 表1 2 北挥发存储器的比较总结 在高密度移动存储领域，f l a s h 存储器仍然占领了绝大多数的应用，并且随着 消费类电子产品市场的继续扩张，这种需求会越来越大。然而，f l a s h 存储器存 在一个致命弱点在于它的特征尺、j 1 i 能随m o o r e 定律无限制的缩小，并且已经 在3 2 衄处遭遇工艺极限。f l a s h 存储单元的非挥发性依赖于浮栅对电荷的保持 作用，为了确保存储单元的数j l c 能保持1 0 年以上，浮栅中泄漏的电子平均每天 不能超过一个。但是，由于直接隧刍j 效应的存在j 本征隧穿氧化层的极限厚度在 6 衄左右，对于实际的器件，这个尺寸在8 衄上下。随着器件尺寸的持续减小， 直接隧穿效应的影响也越来越显著。此外，热载流子注入和f n 隧穿要求器件的 操作电压分别达到1 0 1 2 v 和2 0 v ，这也直接限制了器件的沟道长度和器件隔离 的尺度。 为了应对m o o r e 定律的挑战，人们从本世纪初就不断开始寻找f l a s h 存储器 的替代品，本文即致力于目前呼卢二二高的两种新型非挥发存储器相变存储器 ( p 洲) 和阻性存储器( 砌泌、1 ) 的建模和高密度实施方案。 1 3 非挥发存储体系的蕾发展 1 3 1 相变存储器( p r a m ) 相变材料的兴起 高密度非挥发存储体系的建模与设计 导论 基于相变材料在晶态和非晶态下对外呈现不同的折射率，以g e 2 s b 2 t e 5 ( g s t ) 为代表的相变材料在光存储方面的应用研究从上世纪7 0 年代就开始了。相变材 料可反复地在具有不同折射率的晶态和非晶态之间转换的能力，使得它们迅速成 为光存储的主要载体。在七八十年代，有关相变材料的研究主要是围绕t e 的合 金展开。 相变材料发生相转换的根本原因是热效应，因此，实现光存储的基本原理是： 利用激光脉冲为选定位置处的非晶态或晶态相变材料提供能量，使之发热到适当 的温度范围以促成相转变。一般情况下，记录数据时，施加短暂的高幅值脉冲， 然后迅速撤去使材料冷却而非晶化；擦除数据时，施加较长而幅值稍低些的脉冲， 使材料处于结晶温度和熔化温度之问以使材料晶化【1 】。这两种脉冲又分别被称 为r e s e t 脉冲和s e t 脉冲，作用的结果是将相变材料分别转化为非晶态和晶态。由 于两种状态下折射率的不同，因此只需施加一束激光后根据折射的情况不同即可 实现状态的区分，由此二进制存储得以实现( 晶态和非晶态二种状态即表示二进 锘0 ；的“o 和“l ) 。 在利用相变材料实现光存储时，人们先后遇到的问题主要有： ( 1 ) 稳定性的问题。这主要体现在材料的晶化温度上。提高相变材料的晶化 温度，有助于提高常温下材料处于非晶态时的稳定性。这方面，人们主要通过在 原有相变此奥了中掺杂的办法来提高相变材料的晶化温度。 ( 2 ) 老化的问题，即抗疲劳特性不好。劲力国多次相转换以后，晶态和非晶 态的光学特性( 如：折射率等) 差异降低，使得不同状态的特性接近以致无法区 分而出错。 ( 3 ) 晶化速度的问题。由于晶化脉冲的时间通常远长于非晶化脉冲，因而过 长的晶化时间成了制约存储速度的主要因素。为追求速度和和单纯降低晶化时 间，将会引起材料相转换时的晶化不完全，进而使得材料的可重复编程次数下降。 为此，人们着重寻找晶化时无相分离发生的相变材料，其晶化时间一般在1 0 0 n s 以下且晶化完全，是理想的材料。 经过多年的研究和工艺设备的改善，以硫系半导体化合物为基础的光存储介 质技术已经基本成熟。而在众多硫系化合物( g 碗s b 2 t e 5 、g e i s b 4 t e 7 、g e i s b 2 1 e 4 、 g e 4 s b l t e 5 ) 之中，综合考虑保持特性、抗疲劳特性、结晶速度和两态下的折射 高密度1 # 挥发存储体系的建模j j 设计导论 率比例等多个方面，g e 2 s b 2 t c 5 最终成为首选，在光盘存储中得到了广泛的应用。 g e 2 s b 2 t e 5 ( 以下简称g s t ) ，是一种典型的硫系半导体化合物。作为二进制 数据的载体，g s t 有2 种表现出不同光学特性的状态；非晶态和多晶态( 多晶 态有2 种结构：低温下的面心立方和相对高温下更稳定的密排六方) 。由于g s t 的多晶态和非晶态在折射率上有明显的差异，使得状态区分变得十分简单。 有关g s t 多晶态的2 种结果，已有的研究结果显示：从非晶的初态开始相转 变时，首先是由非晶态转向面心立方( f a c ec e n t e r e dc u b i c ，f c c ) 结构。转换 温度范围为3 9 8 k - 4 4 8 k 。接下来，在更高的温度下( 5 3 0 k 左右) ，材料由f c c 结构转向更稳定的密排六方结构。 g s t 的两种状态：非晶态和多晶态，不仅在体现光学特性的折射率上有明显 的差异，而且在体现电学特性的电阻值上更有着巨大的差别，这切预示着这一 已在光存储方面广泛应用的材料在半导体存储领域也将成为注意的焦点。 相变材料的新应用 早在8 0 多年前，硫系材料中通过电流后发生结构的变化时，人们就已经观 察到其电导率的变化了【2 】，但是的材料是m o s 2 。5 0 年代，对于很多晶态和非晶 态硫系合金的半导体特性，人们进行了广泛的研究。6 0 年代初期，新型的可反 复实现相转变的材料以及相关的电编程光编程器件纷纷出现 3 】。当时，这些进 展预示着，以硫系为代表的相变材料，将可能作为飞回发存储器在数字计算机中 得到广泛的应用。 由此，业界开始广泛地研究硫系半导体及其可能的相关应用。可反复读写的 光存储盘首先研制成功，容量到达6 5 0 m ，随后的d v d r a m 在容量上更上一层 楼，达到2 d 5 2 g b 。与光存储的突飞猛进相比，电编程的相关存储器进展缓慢。 一个主要的原因是：光刻工艺水平的限制使得相关的存储器件编程电流太大，存 储密度受限于大电流引起的功耗问题而不可能做得很高。这种影响直到近几年才 渐渐消除，因而最近几年工业界重新开始关注于相变材料在存储器方面的应用： 相变存储器( p l 溉- c h a n g e 气m ，p r a m ) ，又称o u m ( o v o i l i cu i l i f i e dm e m o 巧) 的相变存储器。就是在这种环境下的重新兴起，成为目前业界工人的继f l 嬲h 存 l2 高密度非挥发存储体系的建模与设计 导论 储器之后、下一代不会发存储器的热门候选者之一。 除了目前光刻的工艺水平已经接近完全解决编程电流问题的水平外，光存储 方面对相变材料的广泛研究已经成为这类材料用于半导体存储器打下了基础。现 有的快速晶化的相变合金材料和已经掌握的多组分的硫系合金特性将大大减轻 该类材料用于存储器方面的研究工作难度。同时，光刻等工艺的进步使得人们对 器件的特性更加了解，也有利于设计出更符合实际要求的存储器件和阵列。 相变存储器的特点在于，读写速度快，反复擦些次数高，数据保持时间长。其主 要缺点是操作电流过大，以至功耗上受到诸多限制，但是这一问题将随着特征尺 寸的不断减小而逐步得到解决。同时，相变存储器的优势随着特征的降低越来越 明显，具体体现在：特征尺寸减小时，需要进行相转换的材料体积将迅速减小。 而写操作的时间和所需能量也随之同步下降。另外，相变存储器低电压操作正好 与不断下降的c m o s 供电电压相匹配，无需类似f l a s h 存储器的电荷泵。 相变存储器的发展现状 近年来各大半导体公司均在相变存储器的研发上取得了相当的进展： 早在2 0 0 2 年，i n t e l 就推出了采用0 1 8i lmc m o s 工艺用于超大规模集成电 路和嵌入式系统的容量为4 m 的单片相变存储器【4 】。 2 0 0 4 年，意法半导体报道了8 m 的相变存储器芯片【5 】，使用了3 vo 1 8um c m o s 工艺，其中存储单元的选通管采用了双极型晶体管，以增大读写驱动电流。 它同时也报道了4 m 的相变存储器芯片 6 】，使用了同样的c m o s 工艺，但选通 管改用大尺寸的n m o s 管。 同年，美国空军研究实验室( a f r l ) 联合0 v o n y x 公司和b a e 公司研发推 出了4 m 相变存储芯片【7 】，由于采用了抗辐射c m o s 工艺，因而在外太空应用 领域颇具潜力。 2 0 0 5 年，s a i i l s u i l g 公司报道了6 4 m 的相变存储芯片 8 】，使用了3 v0 1 8u m c m o s 工艺，由于改善了写驱动电流的均匀性，因而极大地提高了存储单元阵 列的规模，相对而言外围电路面积所占比例大幅下降。 2 0 0 6 年至2 0 0 7 年，s 觚l s u i l g 公司依次推出了基于1 0i lm1 8 v 工艺的2 5 6 m 13 商密度非挥发存储体系的建模与设计 导论 以及基于9 0 n m1 8 v 工艺的5 1 2 m 的高密度相变存储器【9 】【1 0 】，其存储单元采用 双极型二极管为选通管，把相变存储的高密度集成方案全面推向实施和生产的进 程。同时h i t a c h i 公司和l 沁n e s a s 公司也涉足该领域，报道了适用于嵌入式系统 的4 m 低功耗相变存储芯片【1 l 】。 表1 3 提供了各个厂商提供的相变存储器测试芯片性能比较： i n t e l4 m ( 2 0 0 2 ) 工艺规则存储介质选通管反复擦写数据保持 类型次数时间 o 1 8umg s tb j t b a e4 m o 2 5um g s t ( 2 0 0 4 ) 1 0 8 s t m8 mo 1 8umg s t p n pb j t 1 0 6 ( 2 0 0 4 ) s a m s u i l g6 4 m ( 2 0 0 4 ) s a m s l l i l g6 4 m ( 2 0 0 4 ) s 锄s u n g2 5 6 m ( 2 0 0 5 ) s a m s l m g5 1 2 m ( 2 0 0 7 ) h i t a c h i5 1 2 k ( 2 0 0 7 ) o 1 8 um g s tn m o s 1 0 7 0 1 2um o 1 啦 9 0 n m n - d o p e d g s t n - d o p e d g s t n d o p e d g s t n m o s 聪g a t e n m o s d i o d e 0 1 3l lmg s tw i 也n m o s t a 2 0 5 编程 ( s e t ) 时闻 擦除读取时间 ( r e s e t ) 时间 1 0 9 1 0 7 1 0 5 编程 ( s e t ) 电流 l o 年 l l o 1 0 年 1 1 0 l o 年 8 5 1 0 年 8 5 1 0 年 9 9 1 0 年 8 5 | 擦除 ( r e s e t ) 电流 14 高密度非挥发存储体系的建模与设计导论 i n t e l 4 m ( 2 0 0 2 ) b a e4 m ( 2 0 0 4 ) s t m8 m ( 2 0 0 4 ) s 锄s u l l g6 4 m ( 2 0 0 4 ) s 锄s u l l g6 4 m ( 2 0 0 4 ) s a m s u n g2 5 6 m ( 2 0 0 5 ) s 锄s u i 】曙5 1 2 m ( 2 0 0 7 ) h i t a c h i5 1 2 k ( 2 0 0 7 ) 山a 多值相变存储单元的h s p i c e 模型 但基于晶化比例不同实现的多值存储，也存在着一些缺点。如图2 。5 所示， 只有“高阻态和“低阻态是两个稳定的状态，表现为两个平缓的台阶，介于 “高阻态”和“低阻态”之间没有平缓的停留台阶，这就使得中间状态的阻值波 动比较大，轻微的影响就可能使阻值发生较大的改变，从而降低了抗噪声的容限， 增加了电路设计以及校验纠错的复杂程度。 2 5 多值相变存储单元h s p l c e 模型的基本结构 在实际的应用方案中，只有当存储单元可用的稳定态数量是2 的n 次幂时才 是有意义的。对于多值存储而言，存储单元至少要实现4 个稳定阻值状态，以存 放2 个位的信息。基于相变存储材料随晶化比例的不同而实现多值存储的原理， 本文完整地实现了一个以物理机理为背景的4 值相变存储单元h s p i c e 模型，该 模型较精确地拟合了现有2 值单元的实验数据，其4 值操作模式对于多值相变存 储的电路设计具有可靠的指导意义。同时，根据实际设计应用的需要，这一模型 也可以很方便地扩展为8 值、1 6 值等等。 图2 6 描述了4 值相变存储单元h s p i c e 模型的基本结构，它由写操作控制 电路和状态控制电路两部分组成。 图2 6 ( a ) 相变存储单元h s p i c e 模型的写操作控制电路 c 22 高密度非挥发存储体系的建模与设计 多值相变存储单元的h s p i c e 模型 图2 6 ( b ) 相变存储单元h s p i c e 模型的状态控制电路 a b c 写操作控制电路的功能是采集相变存储单元两端的电压和流过的电流，根据 其实际获得的能量来控制状态的转换。 相变存储器状态的改变是热效应的作用，我们从以下几个部分来对其机理进 行建模。首先是焦耳热的产生，焦耳热的产生可以表示成为式( 2 1 ) 形，= ，只= ，月2 r 岬( 2 1 ) 其中l r 和v r 分别表示通过相变电阻的电流和相变电阻两端的电压。r m 锄o r y 表示相变电阻的阻值。 我们可以用v c v s ( 压控电压源) 来模拟焦耳热的产生。检测电流的电阻 心锄p l 。，阻值为1 欧姆，则流过存储单元的电流等于风锄p l 。两端的电压。受控源 g i 可以用多项式来表示，取存储单元的瞬时电阻为l k 欧姆，那么焦耳热功率表 示为如式( 2 2 ) 所示： g ，= 0 + 2 r ( r = 1 七) ( 2 2 ) 由于相变存储单元不是一个孤立的器件，在产生焦耳热的同时，它也与周围 的电极和介质材料不断发生热交换，并因此损失一部分能量。热的耗散和存储单 元的温度有关，可以表示成为如式( 2 3 ) 所示： ：是；：一桴丁( 2 - 3 ) 23 高密度非挥发存储体系的建模与设计多值相变存储单元的h s p i c e 模型 其中k 表示热耗散系数。为了简化模型，我们把这个能量表示为式( 2 4 ) ： 丁一丁 孵= 一押丁= 七二_ = 盟( 2 4 ) 4 尺州 这里r 蚺表示有效相变区域的半径，t 删n 表示室温。同样地，我们采用另一 个压控电压源g d 来表征这一关系。 在式中，t 是一个随时间变化的量，可以根据q j 和g d 的积分来计算如下： 丁：臣生加( 2 5 ) o c 聊 其中c 表示相变材料的比热，m 表示相变材料的质量。如此一来，我们便可 以借助一个积分电路h a 来获得相变材料的瞬时温度。 从g s t 材料的特性中我们可以获知，当存储单元达到一定的温度后，就会 发生相转换，这里我们通过两个比较器分别判断存储单元是否达到了编程或擦除 的温度区间。当相变单元的瞬时温度低于t x ( 玻璃转化温度) 时，材料的性质 不会发生改变，两个比较器的输出均为0 ；当相变单元的瞬时温度介于t x 和t m ( 熔点) 之间时，满足发生晶化进入编程( s e t ) 过程的条件，下方比较器的输 出为1 ，上方比较器的输出为o ；当相变单元的瞬时温度超过t m 时，满足发生熔 融进入擦除( i 也s e t ) 过程的条件，两个比较器的输出均为l 。 当至少有一个比较器的输出为1 时，由放大器t e 构成的积分器开始工作， 计算存储单元处于热平衡状态下的时间。 根据j m a k 理论，相变材料的晶化百分比可以计算如下【2 4 】： e = l e x p ( 一鼢”) ( 2 6 ) f 小k e x p ( 一南他7 其中硒为频率因子，在1 0 1 7s 。1 1 0 8 6 s 1 间变化；e 。是激活能，一般取值在 0 8 1 e v 一3 e v 之间；k b 为b o i t z m a n n 常数，取值为1 3 8 0 6 5 8 e 一2 3 。 我们通过一个压控电压源g c 来计算这一晶化百分比，并将该值与g t l ， g t 3 作比较。当g 。大于g t l 时，比较器a 的输出为1 ；当g c 大于时，比较 器b 的输出为1 ；当g 。大于g t 3 时，比较器c 的输出为l 。这三个输出信号成 为状态控制电路的输入信号，经过一定的逻辑运算以后，控制相变存储单元的稳 24 高密度非挥发存储体系的建模与设计多值相变存储单元的h s p l c e 模型 定电阻值。 状态控制电路实际上是一个多路选择电路，根据写操作控制电路的输出选择 相应的电阻。在当前的模型中，我们共设置了酬、风姒、风c t b 、风c t c 四个电 阻状态，用一个多路选择器来控制与之串连的开关。除此以外，考虑到相变存储 单元上的场强达到一定临界值时，会暂时进入可逆低阻态，因此我们通过一个比 较器来采样高阻状态下的电压，并在条件满足时将氏榔并联到通路上去。 2 6 多值相变存储单元h s p i c e 模型的仿真结果 图2 7 为多值相变存储单元h s p i c e 模型在单比特模式下的温度仿真观测结 果，在编程和擦除信号的作用下，相变存储单元分别产生了最高值为3 5 0 0 c 和 7 2 5 0 c 度的温度脉冲，与实验观测结果相符。同时，根据存储单元尺寸和电、热 效应的不同，该模型的参数也可以作出调整并拟合相应的实验结果。 x l | |1 i 一 fl i f | | l f l ； y 、 k 、 1 o 弛 o 磐恤) 1 1 他 1 1 鼬1 图2 7 多值相变存储单元h s p i c e 模型在单比特模式下的温度仿真 25 伽 瑚 蜘 咖 鳓 鼬 伽 啪 渤 如 锄 锄 啪 m o 冒a-j- 高密度非挥发存储体系的建模与设计多值相变存储单元的h s p i c e 模型 图2 8 描述了相变存储单元在不同的电压脉冲作用下，分别进入多个电阻状 态的仿真结果。第一列中的三条曲线从上至下分别表示：操作电压、温度变化和 晶化百分比，第二列绘出了各个步骤中通过相变存储单元的电流，第三列表示整 个过程中相变存储单元阻值的变化。 l q 譬l h d 暑 童 h l 麓 c e c u m t 孱黧 圈露豳 o t i 0 詈c r 舵) 撕撕孤 i l c r 一t 露n c 奄 ： ： 毒i k l i 2 嫩 lin t i - o 嚣嘶e ) 孤 图2 8 电压脉冲作用下的相变存储单元h s p i c e 模型仿真 26 高密度非挥发存储体系的建模与设计 阻变存储器的数据操作可靠性设计 第3 章相变存储器的数据操作可靠性设计 3 1 相变存储器的数据操作可靠性 g s t 从高阻态转为低阻 态时所需的s e t 电流既有上 限，又有下限，从而构成了 一个s e t 窗口。如图3 1 所示， 与s e t 电流相对应的两个电 压分别为s e t 电压的上、下 限v s c l 岫与v 鳅m 瓠，其中 v s c tm i i i 为g s t