一种相变存储器的模拟方法技术

本发明专利技术涉及一种相变存储器的模拟方法，包括以下步骤：Ａ．根据工艺要求建立相变存储单元的几何模型；Ｂ．当相变存储单元负载电流时，相变材料的电导率设定为等效熔融态电导率为１０４１／Ωｍ量级的固定值；当负载电压时，相变材料的电导率设定为等效晶态电导率，通过计算而得，式中Ｒ为基准电阻；Ｃ．利用有限元计算法根据电热耦合方程计算出相变存储单元负载不同电流或电压下的电势分布和温度分布；Ｄ．根据相变材料的熔融区域，计算相变存储单元在负载不同电流或者电压下的电阻值，从而得到ＲＩ关系曲线或ＲＶ关系曲线。本发明专利技术通过引入基准电阻，求得不同工艺尺寸下相变材料的等效电导率，能够在不同工艺尺寸下模拟器件的电场和热场及ＲＩ和ＲＶ的关系。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种存储器的模拟方法，尤其是指一种可指导器件电路设计和器件工艺的相变存储器的模拟方法。本专利技术属于微纳电子学

技术介绍
相变存储器技术是基于Ovshinsky在20世纪60年代末70年代初提出的相变薄膜可以应用于相变存储介质的构想建立起来的，是一种价格便宜、性能稳定的存储器件。相变存储器可以做在硅晶片衬底上，其关键材料是可记录的相变薄膜、加热电极材料、绝热材料和引出电极材的研究热点也就围绕其器件工艺展开器件的物理机制研究，包括如何减小器件料等。相变存储器的基本原理是利用电脉冲信号作用于器件单元上，使相变材料在非晶态与多晶态之间发生可逆相变，通过分辨非晶态时的高阻与多晶态时的低阻，可以实现信息的写入、擦除和读出操作。 相变存储器由于具有高速读取、高可擦写次数、非易失性、元件尺寸小、功耗低、抗强震动和抗辐射等优点，被国际半导体工业协会认为最有可能取代目前的闪存存储器而成为未来存储器主流产品和最先成为商用产品的器件。 相变存储器的读、写、擦操作就是在器件单元上施加不同宽度和高度的电压或电流脉冲信号擦操作(RESET)，当加一个短且强的脉冲信号使器件单元中的相变材料温度升高到熔化温度以上后，再经过快速冷却从而实现相变材料多晶态到非晶态的转换，即“1”态到“0”态的转换；写操作(SET)，当施加一个长且中等强度的脉冲信号使相变材料温度升到熔化温度之下、结晶温度之上后，并保持一段时间促使晶核生长，从而实现非晶态到多晶态的转换，即“0”态到“1”态的转换；读操作，当加一个对相变材料的状态不会产生影响的很弱的脉冲信号后，通过测量器件单元的电阻值来读取它的状态。 目前，在不同工艺尺寸下的相变存储器器件模拟还没有系统商业产品，对不同尺寸下的电学特性研究还局限在同样的工艺尺寸下，通过调整材料参数，以一个基准模型为准，对同等工艺尺寸下器件的电学和热学特性比较。虽然模型能够给出吻合测试数据的RI曲线，但是并不能给出电压和电阻关系。在本专利的器件模拟方法中，通过引入等效基准电阻，进而求得不同特征工艺尺寸下相变材料的等效电导率，能够在不同工艺尺寸下模拟器件的电场和热场，模拟的RI和RV关系，均吻合实际测试数据。
技术实现思路
本专利技术主要解决的技术问题在于提供，能够在不同工艺尺寸下模拟相变存储单元的电场和热场，模拟RI和RV的关系。 为了解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案 ，包括以下步骤 A根据工艺要求建立相变存储单元的几何模型，使该几何模型的尺寸和实际工艺尺寸一致； B设定相变存储单元中相变材料的等效电导率当相变存储单元负载电流时，相变材料的等效电导率为等效熔融态电导率，所述等效熔融态电导率设定为1041/Ωm量级的固定值；当相变存储单元负载电压时，相变材料的等效电导率为等效晶态电导率，所述等效晶态电导率通过计算而得，式中R为基准电阻，1为相变材料的厚度，S为相变材料的横截面积，σ为所述的等效晶态电导率，其中基准电阻为200～300Ω； C在有限元分析软件平台中，按照相变存储单元的几何模型，将步骤B中设定的等效电导率作为相变材料的电导率，利用有限元计算法根据电热耦合方程计算出相变存储单元负载不同电流或电压下的电势分布和温度分布； D通过步骤C计算出的温度分布，得到相变材料的熔融区域，计算出相变存储单元在负载电流或者电压后常温下的电阻值，从而得到RI关系曲线或RV关系曲线。 进一步地，该模拟方法还包括根据步骤D中算得的相变存储单元在负载电流或者电压后常温下的电阻值判断器件是否实现RESET，该电阻值为低阻态时，未实现RESET，该电阻值为高阻态时，则实现了RESET。 进一步地，步骤C中根据电热耦合方程计算相变存储单元的电势分布和温度分布时，涉及的材料的热导率取常数，该常数为室温下材料的热导率。 进一步地，步骤C中根据电热耦合方程计算相变存储单元的电势分布和温度分布时，涉及的材料的热容取常数，该常数为室温下材料的热容。 进一步地，该模拟方法步骤D中利用有限元计算法根据电热耦合方程计算相变存储单元的电势分布和温度分布，包括以下步骤 a根据准静态电场公式得到相变存储单元的电势分布； b根据步骤a得到的电势分布以及焦耳热公式计算相变存储单元产生的热量； c根据步骤b得到的热量以及热传导公式计算相变存储单元的温度分布。 作为本专利技术的优选方案之一，步骤B中的等效熔融态电导率按照以下方法选取首先，对以180nm工艺尺寸制作的相变存储单元进行RI测试，得到RI关系的实验数据；然后，选取不同数值的1041/Ωm量级的值作为相变材料的电导率进行计算，根据步骤C、D中的计算方法求出RI关系曲线，从而找到使求得的RI关系曲线与实验数据吻合最佳的值，作为等效熔融态电导率。 作为本专利技术的优选方案之一，所述的等效熔融态电导率为5×1041/Ωm。 作为本专利技术的优选方案之一，步骤B中的基准电阻按照以下方法选取首先，对以180nm工艺尺寸制作的相变存储单元进行RV测试，得到RV关系的实验数据；然后，选取不同的数值作为相变材料的电导率按照步骤C、D中的计算方法进行计算，从而找到使计算的RV关系曲线与实验数据吻合最佳的数值作为基准数值；以该基准数值作为相变材料的电导率来计算该相变存储单元的电阻，作为基准电阻。 作为本专利技术的优选方案之一，基准电阻为200Ω。 在相变存储器RESET操作中，相变存储单元负载电压或电流，在电场产生的焦耳热作用下，相变材料熔融，此时迅速降温，熔融态区域形成非晶。当熔融区域盖住下电极时，形成高阻串联，此时RESET操作成功。在实际测试中，如果用电流源，测得的RI(电阻电流)特性是器件中相变材料在熔融态下的电流和RESET操作后的电阻值；如果用电压源测试，测得的RV(电阻电压)特性是器件中相变材料在晶态情况下的电压和RESET操作后的电阻值。 本专利技术的模拟方法中，对于RI关系曲线，在模拟过程中，将相变材料的电导率设为等效熔融态电导率。对于RV关系曲线，因为还要考虑到熔化相变材料的过程，在模拟过程中，将相变材料的电导率设为等效晶态电导率。对于不同特征尺寸的器件，对于RI特性，因为熔融态相变材料GST电导率很大(～5×1041/Ωm)，熔融态电导率随温度的变化对电流影响较小，对模拟结果影响较小，所以可以设定一个与温度无关的固定值。对于RV特性，在计算晶态相变材料GST的等效电导率时，以一个基准电阻200～300Ω根据实际的工艺尺寸来计算此时的等效晶态电导率，通过计算得的等效晶态电导率模拟RV特性。 本专利技术在进行模拟计算时简化了相变材料的电学和热学参数，对于RI特性，引入了固定的等效熔融态电导率，对于RV特性，根据基准电阻引入了与实际工艺尺寸相关的等效晶态电导率。经过与实际测试的比较，等效电导率的引入能够保证模拟结果的准确性。本专利技术的方案不仅能够模拟出RI关系还能模拟出RV关系，解决了现有技术中不能给出电压和电阻关系的问题，并且由于引入了随着工艺尺寸变化而变化的等效晶态电导率，从而能够准确模拟出在不同工艺尺寸下器件的电场和热场。 因此，本模拟方法有较高的准确度，采用本方法模拟器件能得到器件的电场和热场分布及RI、RV关系，进而得到器件实现RESET的负载电压或电流，这本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种相变存储器的模拟方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：Ａ根据工艺要求建立相变存储单元的几何模型，使该几何模型的尺寸和实际工艺尺寸一致；Ｂ设定相变存储单元中相变材料的等效电导率：当相变存储单元负载电流时，相变材料的等效电导率为等效熔融态电导率，所述等效熔融态电导率设定为１０↑［４］１／Ωｍ量级的固定值；当相变存储单元负载电压时，相变材料的等效电导率为等效晶态电导率，所述等效晶态电导率通过Ｒ＝１／σＳ计算而得，式中Ｒ为基准电阻，１为相变材料的厚度，Ｓ为相变材料的横截面积，σ为所述的等效晶态电导率，其中基准电阻为２００～３００Ω；Ｃ在有限元分析软件平台中，按照相变存储单元的几何模型，将步骤Ｂ中设定的等效电导率作为相变材料的电导率，利用有限元计算法根据电热耦合方程计算出相变存储单元负载不同电流或电压下的电势分布和温度分布；Ｄ通过步骤Ｃ计算出的温度分布，得到相变材料的熔融区域，计算出相变存储单元在负载电流或者电压后常温下的电阻值，从而得到ＲＩ关系曲线或ＲＶ关系曲线。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：龚岳峰，宋志棠，凌云，刘燕，李宜瑾，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]