三维CRAM存储元结构设计和热场分析.pdfVIP

三维 CRAM 存储元结构设计及热场分析 1 1,2 李娟 ，王嘉赋 1 武汉理工大学理学院，武汉 (430070) 2 材料复合新技术国家重点实验室，武汉 (430070) Email: wuhan0602@ 摘 要：本文基于特征尺寸为0.15µm 的CMOS 工艺设计了存储介质为Ge Sb Te 的CRAM 2 2 5 存储元。根据 CRAM 的工作原理与特点，从三维热传导模型出发，利用数值方法模拟并分 析CRAM 存储元中的热场分布及其演化过程。在底层电极与加热层之间引入TiN 作为隔热 层以实现CRAM 存储元与CMOS 的热兼容。设计出既满足存储、读写的要求，又能与CMOS 电路热兼容的三维CRAM 存储单元结构。并计算分析了其内部热场分布，对深入了解CRAM 的存储机制，完善CRAM 设计提供了相关的数据。 关键词：相变；CRAM；热兼容；三维热场 中图分类号：TP333.8 0 引言 新型相变存储器CRAM(Chalcogenide Random Access Memory)所采用的存储技术是一 种新型的半导体存储技术，即利用相变材料发生相变前后阻值的差异来对数据进行存储[1] 。 与目前已有的多种半导体存储技术相比，它具有非易失性、循环寿命长、元件尺寸小、功耗 低、高速读取、耐高低温、抗振动、制造工艺简单（与现有的集成电路工艺匹配性好）等优 点[2-3] 。此外它的最大优势在于：该存储技术与材料带电粒子的状态无关，从而具有很强的 抗空间辐射能力，能满足国防和航天需求，是目前国内外重点研制的新型存储器。 目前国内外几乎所有的有关CRAM存储元的结构设计都是在二维平面工艺上进行的。而 且由于CRAM是基于电流驱动进行工作，因此大多数研究是基于材料内部结构的变化从电流 角度来分析问题[4-9] 。但同时考虑到CRAM是利用热能来激发相变物质发生相变，从而进行 数据的存储，则对相变过程中相变材料乃至整个存储元的热场的计算和相变过程的模拟则对 深入研究CRAM工作机理和改善其工作性能十分必要和有意义。 基于该思想，本文从热场分析入手，建立三维热传导模型，利用数值方法模拟仿真CRAM 存储元的热场分布及其相变衍化过程，同时考虑存储元与CMOS 电路的热兼容的实现，对 CRAM存储元的结构进行合理设计。本文主要针对相变材料的非晶化过程进行分析。 1 结构设计要求 由于CRAM 是依靠加热引发相变物质发生相变从而引起阻值大小的改变来工作的，而 且，CRAM 存储元件在外部的CMOS 电路驱动下工作，因此，本文在基于三维热场进行分 析和结构设计时主要从以下几个方面着手： a) 相变层在加热后应部分发生相变。因此在非晶化过程中相变材料部分温度应上升至 其融化温度。 b) 为使CMOS 驱动正常工作，与之相接的底层电极的温度应低于CMOS 电路能承受 的温度即180℃。 [10] c) 为使数据易于识别，CRAM 相变前后阻值差异应大于或等于100 倍时 。 - 1 - 2 三维模型的建立 传统的相变存储器的存储元通常是由底电极、加热层、相变层、顶电极四部分组成。电 流经由电极流入，加热层加热相变材料使其发生相变，进而存储数据。CRAM 利用具有可 逆相变性质的硫系化合物作为相变材料，本文使用大家公认研究最为成熟的相变