[发明专利]一种相变存储器的模拟方法

说明书

技术领域

本发明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。本发明属于微纳电子学技术领域。

背景技术

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。

发明内容

本发明主要解决的技术问题在于提供一种相变存储器的模拟方法，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，本发明采用如下技术方案：

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，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R=lσS]]>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。