一维热传导模型下CRAM存储元结构和其和CMOS电路热兼容问题探索.pdfVIP

一维热传导模型下CRAM 存储元结构及其与CMOS 电路热兼容问题探索 1 1 2 1 2 向宏酉 ，王嘉赋 ，胡作启 ，李娟 ，徐杰猛 1 武汉理工大学理学院，武汉（430070 ） 2 华中科技大学电子科学与技术系，武汉（430074 ） E-mail ：whut_xhy@163.com 摘 要：从硫系化合物随机存取存储器Chalcogenide RAM(CRAM)的存储原理出发，建立存 储元一维多层热传导结构模型。根据一维条件下存储元的读写功能需求及其与 CMOS 驱动 电路实现热兼容的条件，确定三个临界参数：相变材料熔化温度T 、相变的临界区域X 、 m c CMOS 驱动电路能承受的临界温度 Tc 。合理设定边界条件，利用差分法编程求解多层热传 导方程得出温度分布曲线图。在临界参数的限制下，通过选择调整存储元的电极、隔热层、 相变层的材料尺寸，并使用加热层对相变层进行加热，设计出的 CRAM 存储元结构模型不 仅满足了CRAM 存储元的存储读写要求，而且首次实现了CRAM 存储元与 CMOS 电路的 热兼容。 关键词：CRAM ，硫系化合物，热兼容 中图分类号：TP333.8 1. 序言 硫系化合物随机存取存储器CRAM的存储元以硫系化合物为存储介质，通过写电流产生 焦耳热使存储介质发生结构相变，利用相变物质在晶态和非晶态结构之间高达四个数量级的 阻值差来存储二进制数据“0”和“1”；在不破坏其材料结构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。CRAM具有非易失性、多态存储[1]、 读写信息速度快、使用寿命长、耐高低温、制造成本低、可研制成即插式或嵌入式存储器等 特点。由于其存储机理与材料带电粒子的状态无关，使其具有抗电子干扰、抗强辐射的优点， 能满足航天和国防需求，是目前国内外重点研制的新型存储器。 目前，国际上有Ovonyx、Intel、Samsung、STMicroelectronics、Hitachi 、IBM、Philips 和British Aerospace 等大公司在开展CRAM 存储器的研究，并于2004 年初采用0.18µm 工 艺制备出64M 的存储器测试样片[2]，以及利用传统工艺技术和U 形槽结构构建出2D 结构 [3]，美国空军也正斥巨资研究 CRAM 以装备其天基雷达。国内主要是中科院上海微系统所 及几所重点高校在进行CRAM 的深入研究，而且CRAM 芯片关键技术已列入863 计划“十 一五”规划。CRAM 存储元的结构[4-6] 已得到国内外广泛研究，但忽略了外围CMOS 驱动电 路能否承受硫系化合物从晶态向非晶态相变时引起的高温，即没有考虑CRAM 与CMOS 电 路的热兼容问题，而该热兼容问题已成为限制CRAM 集成化和实用化的主要因素之一。 本文针对这种现状，从CRAM 存储原理出发，建立层状结构的存储元模型，利用一维 热传导分析方法，设定合理的边界条件，在考虑热兼容问题的基础上，确定满足存储元工作 需要的临界参数，通过计算存储元各点的温度分布，使用加热层加热相变层，最终获得了实 现CRAM 存储元与CMOS 电路的热兼容的存储元结构模型。 2. 一维多层存储元结构模型 -1- 2.1 模型的建立 CRAM 存储元结构中，硫系化合物相变存储材料三明治式竖直夹于上下电极之间，下 电极直接接于CMOS 驱动电路，读写电流由存储元下电极流入从上电极流出，其间，电流 加热相变存储材料使其发生结构相变存储信息。硫系化合物相变材料多选用Ge2Sb2Te5[7]， 简称GST 。 CRAM 存储元的初步一维简明结构如图 1。沿x 方向，存储元形成层状结构：CMOS