專利名稱：一種相變存儲(chǔ)器的模擬方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種存儲(chǔ)器的模擬方法，尤其是指一種可指導(dǎo)器件電路設(shè)計(jì)和器件工藝的相變存儲(chǔ)器的模擬方法。本發(fā)明屬于微納電子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
相變存儲(chǔ)器技術(shù)是基于Ovshinsky在20世紀(jì)60年代末70年代初提出的相變薄膜可以應(yīng)用于相變存儲(chǔ)介質(zhì)的構(gòu)想建立起來(lái)的，是一種價(jià)格便宜、性能穩(wěn)定的存儲(chǔ)器件。相變存儲(chǔ)器可以做在硅晶片襯底上，其關(guān)鍵材料是可記錄的相變薄膜、加熱電極材料、絕熱材料和引出電極材的研究熱點(diǎn)也就圍繞其器件工藝展開(kāi)器件的物理機(jī)制研究，包括如何減小器件料等。相變存儲(chǔ)器的基本原理是利用電脈沖信號(hào)作用于器件單元上，使相變材料在非晶態(tài)與多晶態(tài)之間發(fā)生可逆相變，通過(guò)分辨非晶態(tài)時(shí)的高阻與多晶態(tài)時(shí)的低阻，可以實(shí)現(xiàn)信息的寫入、擦除和讀出操作。
相變存儲(chǔ)器由于具有高速讀取、高可擦寫次數(shù)、非易失性、元件尺寸小、功耗低、抗強(qiáng)震動(dòng)和抗輻射等優(yōu)點(diǎn)，被國(guó)際半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會(huì)認(rèn)為最有可能取代目前的閃存存儲(chǔ)器而成為未來(lái)存儲(chǔ)器主流產(chǎn)品和最先成為商用產(chǎn)品的器件。
相變存儲(chǔ)器的讀、寫、擦操作就是在器件單元上施加不同寬度和高度的電壓或電流脈沖信號(hào)擦操作(RESET)，當(dāng)加一個(gè)短且強(qiáng)的脈沖信號(hào)使器件單元中的相變材料溫度升高到熔化溫度以上后，再經(jīng)過(guò)快速冷卻從而實(shí)現(xiàn)相變材料多晶態(tài)到非晶態(tài)的轉(zhuǎn)換，即“1”態(tài)到“0”態(tài)的轉(zhuǎn)換；寫操作(SET)，當(dāng)施加一個(gè)長(zhǎng)且中等強(qiáng)度的脈沖信號(hào)使相變材料溫度升到熔化溫度之下、結(jié)晶溫度之上后，并保持一段時(shí)間促使晶核生長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)非晶態(tài)到多晶態(tài)的轉(zhuǎn)換，即“0”態(tài)到“1”態(tài)的轉(zhuǎn)換；讀操作，當(dāng)加一個(gè)對(duì)相變材料的狀態(tài)不會(huì)產(chǎn)生影響的很弱的脈沖信號(hào)后，通過(guò)測(cè)量器件單元的電阻值來(lái)讀取它的狀態(tài)。
目前，在不同工藝尺寸下的相變存儲(chǔ)器器件模擬還沒(méi)有系統(tǒng)商業(yè)產(chǎn)品，對(duì)不同尺寸下的電學(xué)特性研究還局限在同樣的工藝尺寸下，通過(guò)調(diào)整材料參數(shù)，以一個(gè)基準(zhǔn)模型為準(zhǔn)，對(duì)同等工藝尺寸下器件的電學(xué)和熱學(xué)特性比較。雖然模型能夠給出吻合測(cè)試數(shù)據(jù)的RI曲線，但是并不能給出電壓和電阻關(guān)系。在本專利的器件模擬方法中，通過(guò)引入等效基準(zhǔn)電阻，進(jìn)而求得不同特征工藝尺寸下相變材料的等效電導(dǎo)率，能夠在不同工藝尺寸下模擬器件的電場(chǎng)和熱場(chǎng)，模擬的RI和RV關(guān)系，均吻合實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種相變存儲(chǔ)器的模擬方法，能夠在不同工藝尺寸下模擬相變存儲(chǔ)單元的電場(chǎng)和熱場(chǎng)，模擬RI和RV的關(guān)系。
為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案 一種相變存儲(chǔ)器的模擬方法，包括以下步驟 A根據(jù)工藝要求建立相變存儲(chǔ)單元的幾何模型，使該幾何模型的尺寸和實(shí)際工藝尺寸一致； B設(shè)定相變存儲(chǔ)單元中相變材料的等效電導(dǎo)率當(dāng)相變存儲(chǔ)單元負(fù)載電流時(shí)，相變材料的等效電導(dǎo)率為等效熔融態(tài)電導(dǎo)率，所述等效熔融態(tài)電導(dǎo)率設(shè)定為1041/Ωm量級(jí)的固定值；當(dāng)相變存儲(chǔ)單元負(fù)載電壓時(shí)，相變材料的等效電導(dǎo)率為等效晶態(tài)電導(dǎo)率，所述等效晶態(tài)電導(dǎo)率通過(guò)計(jì)算而得，式中R為基準(zhǔn)電阻，1為相變材料的厚度，S為相變材料的橫截面積，σ為所述的等效晶態(tài)電導(dǎo)率，其中基準(zhǔn)電阻為200～300Ω； C在有限元分析軟件平臺(tái)中，按照相變存儲(chǔ)單元的幾何模型，將步驟B中設(shè)定的等效電導(dǎo)率作為相變材料的電導(dǎo)率，利用有限元計(jì)算法根據(jù)電熱耦合方程計(jì)算出相變存儲(chǔ)單元負(fù)載不同電流或電壓下的電勢(shì)分布和溫度分布； D通過(guò)步驟C計(jì)算出的溫度分布，得到相變材料的熔融區(qū)域，計(jì)算出相變存儲(chǔ)單元在負(fù)載電流或者電壓后常溫下的電阻值，從而得到RI關(guān)系曲線或RV關(guān)系曲線。
進(jìn)一步地，該模擬方法還包括根據(jù)步驟D中算得的相變存儲(chǔ)單元在負(fù)載電流或者電壓后常溫下的電阻值判斷器件是否實(shí)現(xiàn)RESET，該電阻值為低阻態(tài)時(shí)，未實(shí)現(xiàn)RESET，該電阻值為高阻態(tài)時(shí)，則實(shí)現(xiàn)了RESET。
進(jìn)一步地，步驟C中根據(jù)電熱耦合方程計(jì)算相變存儲(chǔ)單元的電勢(shì)分布和溫度分布時(shí)，涉及的材料的熱導(dǎo)率取常數(shù)，該常數(shù)為室溫下材料的熱導(dǎo)率。
進(jìn)一步地，步驟C中根據(jù)電熱耦合方程計(jì)算相變存儲(chǔ)單元的電勢(shì)分布和溫度分布時(shí)，涉及的材料的熱容取常數(shù)，該常數(shù)為室溫下材料的熱容。
進(jìn)一步地，該模擬方法步驟D中利用有限元計(jì)算法根據(jù)電熱耦合方程計(jì)算相變存儲(chǔ)單元的電勢(shì)分布和溫度分布，包括以下步驟 a根據(jù)準(zhǔn)靜態(tài)電場(chǎng)公式得到相變存儲(chǔ)單元的電勢(shì)分布； b根據(jù)步驟a得到的電勢(shì)分布以及焦耳熱公式計(jì)算相變存儲(chǔ)單元產(chǎn)生的熱量； c根據(jù)步驟b得到的熱量以及熱傳導(dǎo)公式計(jì)算相變存儲(chǔ)單元的溫度分布。
作為本發(fā)明的優(yōu)選方案之一，步驟B中的等效熔融態(tài)電導(dǎo)率按照以下方法選取首先，對(duì)以180nm工藝尺寸制作的相變存儲(chǔ)單元進(jìn)行RI測(cè)試，得到RI關(guān)系的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；然后，選取不同數(shù)值的1041/Ωm量級(jí)的值作為相變材料的電導(dǎo)率進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)步驟C、D中的計(jì)算方法求出RI關(guān)系曲線，從而找到使求得的RI關(guān)系曲線與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合最佳的值，作為等效熔融態(tài)電導(dǎo)率。
作為本發(fā)明的優(yōu)選方案之一，所述的等效熔融態(tài)電導(dǎo)率為5×1041/Ωm。
作為本發(fā)明的優(yōu)選方案之一，步驟B中的基準(zhǔn)電阻按照以下方法選取首先，對(duì)以180nm工藝尺寸制作的相變存儲(chǔ)單元進(jìn)行RV測(cè)試，得到RV關(guān)系的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；然后，選取不同的數(shù)值作為相變材料的電導(dǎo)率按照步驟C、D中的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算，從而找到使計(jì)算的RV關(guān)系曲線與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合最佳的數(shù)值作為基準(zhǔn)數(shù)值；以該基準(zhǔn)數(shù)值作為相變材料的電導(dǎo)率來(lái)計(jì)算該相變存儲(chǔ)單元的電阻，作為基準(zhǔn)電阻。
作為本發(fā)明的優(yōu)選方案之一，基準(zhǔn)電阻為200Ω。
在相變存儲(chǔ)器RESET操作中，相變存儲(chǔ)單元負(fù)載電壓或電流，在電場(chǎng)產(chǎn)生的焦耳熱作用下，相變材料熔融，此時(shí)迅速降溫，熔融態(tài)區(qū)域形成非晶。當(dāng)熔融區(qū)域蓋住下電極時(shí)，形成高阻串聯(lián)，此時(shí)RESET操作成功。在實(shí)際測(cè)試中，如果用電流源，測(cè)得的RI(電阻電流)特性是器件中相變材料在熔融態(tài)下的電流和RESET操作后的電阻值；如果用電壓源測(cè)試，測(cè)得的RV(電阻電壓)特性是器件中相變材料在晶態(tài)情況下的電壓和RESET操作后的電阻值。
本發(fā)明的模擬方法中，對(duì)于RI關(guān)系曲線，在模擬過(guò)程中，將相變材料的電導(dǎo)率設(shè)為等效熔融態(tài)電導(dǎo)率。對(duì)于RV關(guān)系曲線，因?yàn)檫€要考慮到熔化相變材料的過(guò)程，在模擬過(guò)程中，將相變材料的電導(dǎo)率設(shè)為等效晶態(tài)電導(dǎo)率。對(duì)于不同特征尺寸的器件，對(duì)于RI特性，因?yàn)槿廴趹B(tài)相變材料GST電導(dǎo)率很大(～5×1041/Ωm)，熔融態(tài)電導(dǎo)率隨溫度的變化對(duì)電流影響較小，對(duì)模擬結(jié)果影響較小，所以可以設(shè)定一個(gè)與溫度無(wú)關(guān)的固定值。對(duì)于RV特性，在計(jì)算晶態(tài)相變材料GST的等效電導(dǎo)率時(shí)，以一個(gè)基準(zhǔn)電阻200～300Ω根據(jù)實(shí)際的工藝尺寸來(lái)計(jì)算此時(shí)的等效晶態(tài)電導(dǎo)率，通過(guò)計(jì)算得的等效晶態(tài)電導(dǎo)率模擬RV特性。
本發(fā)明在進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)簡(jiǎn)化了相變材料的電學(xué)和熱學(xué)參數(shù)，對(duì)于RI特性，引入了固定的等效熔融態(tài)電導(dǎo)率，對(duì)于RV特性，根據(jù)基準(zhǔn)電阻引入了與實(shí)際工藝尺寸相關(guān)的等效晶態(tài)電導(dǎo)率。經(jīng)過(guò)與實(shí)際測(cè)試的比較，等效電導(dǎo)率的引入能夠保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。本發(fā)明的方案不僅能夠模擬出RI關(guān)系還能模擬出RV關(guān)系，解決了現(xiàn)有技術(shù)中不能給出電壓和電阻關(guān)系的問(wèn)題，并且由于引入了隨著工藝尺寸變化而變化的等效晶態(tài)電導(dǎo)率，從而能夠準(zhǔn)確模擬出在不同工藝尺寸下器件的電場(chǎng)和熱場(chǎng)。
因此，本模擬方法有較高的準(zhǔn)確度，采用本方法模擬器件能得到器件的電場(chǎng)和熱場(chǎng)分布及RI、RV關(guān)系，進(jìn)而得到器件實(shí)現(xiàn)RESET的負(fù)載電壓或電流，這些對(duì)器件電路設(shè)計(jì)和器件工藝具有很好的指導(dǎo)作用。



圖1是180nm工藝尺寸下制作的電極大小為260nm的相變存儲(chǔ)器縱向軸對(duì)稱剖面圖； 圖2是260nm尺寸器件RV關(guān)系曲線的測(cè)試結(jié)果； 圖3是260nm尺寸器件RV關(guān)系曲線的模擬結(jié)果； 圖4是130nm工藝尺寸下制作的電極大小為130nm的相變存儲(chǔ)器縱向軸對(duì)稱剖面圖； 圖5是130nm尺寸器件RV關(guān)系曲線的測(cè)試結(jié)果； 圖6是130nm尺寸器件RV關(guān)系曲線的模擬結(jié)果； 圖7是90nm工藝尺寸下制作的電極大小為90nm的相變存儲(chǔ)器縱向軸對(duì)稱剖面圖； 圖8是90nm尺寸器件RV關(guān)系曲線的測(cè)試結(jié)果； 圖9是90nm尺寸器件RV關(guān)系曲線的模擬結(jié)果； 圖中主要標(biāo)記說(shuō)明 11實(shí)施例一的Al材料引出電極 12實(shí)施例一的SiO2隔離區(qū)域 13實(shí)施例一的TiN上電極層 14實(shí)施例一的GST相變材料 15實(shí)施例一的W材料底電極 21實(shí)施例二的Al材料引出電極 22實(shí)施例二的SiO2隔離區(qū)域 23實(shí)施例二的TiN上電極層 24實(shí)施例二的GST相變材料 25實(shí)施例二的W材料底電極 31實(shí)施例三的Al材料引出電極 32實(shí)施例三的SiO2隔離區(qū)域 33實(shí)施例三的TiN上電極層 34實(shí)施例三的GST相變材料 35實(shí)施例三的W材料底電極
具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施步驟，為了示出的方便附圖并未按照比例繪制。
本發(fā)明的相變存儲(chǔ)器的模擬方法，包括以下步驟 A根據(jù)工藝要求建立相變存儲(chǔ)單元的幾何模型，使該幾何模型的尺寸和實(shí)際工藝尺寸一致。
B設(shè)定相變存儲(chǔ)單元中相變材料的等效電導(dǎo)率當(dāng)相變存儲(chǔ)單元負(fù)載電流時(shí)，相變材料的等效電導(dǎo)率為等效熔融態(tài)電導(dǎo)率，所述等效熔融態(tài)電導(dǎo)率設(shè)定為1041/Ωm量級(jí)的固定值；當(dāng)相變存儲(chǔ)單元負(fù)載電壓時(shí)，相變材料的等效電導(dǎo)率為等效晶態(tài)電導(dǎo)率，所述等效晶態(tài)電導(dǎo)率通過(guò)計(jì)算而得，式中R為基準(zhǔn)電阻，1為相變材料的厚度，S為相變材料的橫截面積，σ為所述的等效晶態(tài)電導(dǎo)率，其中基準(zhǔn)電阻為200～300Ω。
步驟B中的等效熔融態(tài)電導(dǎo)率按照以下方法可選取出最佳值首先，對(duì)以特征工藝尺寸實(shí)際制作的相變存儲(chǔ)單元進(jìn)行RI測(cè)試，得到RI關(guān)系的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；然后，選取不同數(shù)值的1041/Ωm量級(jí)的值作為相變材料的電導(dǎo)率進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)步驟C、D中的計(jì)算方法求出RI關(guān)系曲線，從而找到使計(jì)算的RI關(guān)系曲線與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合最佳的值，作為等效熔融態(tài)電導(dǎo)率。其中，所述的特征工藝尺寸制作的相變存儲(chǔ)單元優(yōu)選為180nm工藝下制作的相變存儲(chǔ)單元，得到的等效熔融態(tài)電導(dǎo)率為5×1041/Ωm。
步驟B中的基準(zhǔn)電阻按照以下方法可選取出最佳值首先，對(duì)以特征工藝尺寸實(shí)際制作的相變存儲(chǔ)單元進(jìn)行RV測(cè)試，得到RV關(guān)系的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；然后，選取不同的數(shù)值作為相變材料的電導(dǎo)率按照步驟C、D中的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算，從而找到使計(jì)算的RV關(guān)系曲線與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合最佳的數(shù)值作為基準(zhǔn)數(shù)值；以該基準(zhǔn)數(shù)值作為相變材料的電導(dǎo)率來(lái)計(jì)算該相變存儲(chǔ)單元的電阻，作為基準(zhǔn)電阻。其中，所述的特征工藝尺寸制作的相變存儲(chǔ)單元優(yōu)選為180nm工藝下制作的相變存儲(chǔ)單元，得到的基準(zhǔn)電阻為200Ω。
C在有限元分析軟件平臺(tái)中，按照相變存儲(chǔ)單元的幾何模型，將步驟B中設(shè)定的等效電導(dǎo)率作為相變材料的電導(dǎo)率，利用有限元計(jì)算法根據(jù)電熱耦合方程計(jì)算出相變存儲(chǔ)單元負(fù)載不同電流或電壓下的電勢(shì)分布和溫度分布。
步驟C中根據(jù)電熱耦合方程計(jì)算相變存儲(chǔ)單元的電勢(shì)分布和溫度分布時(shí)，涉及的材料的熱導(dǎo)率、熱容取與溫度無(wú)關(guān)的常數(shù)，為室溫下材料的熱導(dǎo)率、熱容。
D通過(guò)步驟C計(jì)算出的溫度分布得到相變材料的熔融區(qū)域，冷卻后熔融區(qū)域內(nèi)的相變材料由晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)，計(jì)算出相變存儲(chǔ)單元在負(fù)載電流或者電壓后常溫下的電阻值，計(jì)算時(shí)將熔融區(qū)域的電導(dǎo)率替換為常溫下相變材料非晶態(tài)的電導(dǎo)率，進(jìn)而得到RI關(guān)系曲線或RV關(guān)系曲線。
步驟D的具體計(jì)算方法如下根據(jù)步驟C計(jì)算出的溫度分布，按照等溫線劃分熔融區(qū)域，改變?nèi)廴趨^(qū)域的電導(dǎo)率為常溫下真實(shí)的相變材料非晶態(tài)的電導(dǎo)率(31/Ωm)，此時(shí)更新電學(xué)模型，計(jì)算出相變存儲(chǔ)單元在負(fù)載電流或者電壓后常溫下的器件電阻值。這里計(jì)算相變存儲(chǔ)單元的電阻值的方法為本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知方法。以此可得到相變存儲(chǔ)單元在負(fù)載不同的電流或者電壓后常溫下的電阻值，從而得到RI關(guān)系曲線或RV關(guān)系曲線。
根據(jù)步驟D中算得的相變存儲(chǔ)單元的電阻值判斷器件是否實(shí)現(xiàn)RESET，該電阻值為低阻態(tài)時(shí)，未實(shí)現(xiàn)RESET，該電阻值為高阻態(tài)時(shí)，則實(shí)現(xiàn)了RESET。一般可以看到如果在RESET操作過(guò)程中(相變存儲(chǔ)單元負(fù)載電流或者電壓)，熔融態(tài)區(qū)域封住底電極，在降溫后，熔融區(qū)域轉(zhuǎn)變成低電導(dǎo)率的非晶，此時(shí)相變存儲(chǔ)單元可以看成是一個(gè)高阻和低阻的串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)高阻態(tài)，高阻態(tài)的值一般大于100kΩ；如果在RESET操作過(guò)程中，熔融態(tài)區(qū)域沒(méi)有封住底電極，在降溫后，熔融區(qū)域轉(zhuǎn)變成低電導(dǎo)率的非晶，此時(shí)相變存儲(chǔ)單元可以看成是一個(gè)高阻和低阻的并聯(lián)，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)高阻態(tài)，而保持低阻態(tài)，低阻態(tài)的值一般在1kΩ左右。
進(jìn)一步地，該模擬方法C步驟中利用有限元計(jì)算法根據(jù)電熱耦合方程計(jì)算相變存儲(chǔ)單元的電勢(shì)分布和溫度分布，包括以下步驟a根據(jù)準(zhǔn)靜態(tài)電場(chǎng)公式得到相變存儲(chǔ)單元的電勢(shì)分布；b根據(jù)步驟a得到的電勢(shì)分布以及焦耳熱公式計(jì)算相變存儲(chǔ)單元產(chǎn)生的熱量；c根據(jù)步驟b得到的熱量以及熱傳導(dǎo)公式計(jì)算相變存儲(chǔ)單元的溫度分布。
其計(jì)算方法具體如下 設(shè)定相變存儲(chǔ)單元中下電極、相變材料、上電極等各個(gè)區(qū)域的電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率、熱容等關(guān)鍵物理參數(shù)。涉及的材料的熱導(dǎo)率、熱容取室溫下該材料的熱導(dǎo)率、熱容。根據(jù)準(zhǔn)靜態(tài)電場(chǎng)公式(1)，可以得到器件中電勢(shì)分布 對(duì)于模擬器件RESET/SET操作中的瞬態(tài)物理圖片，有限元計(jì)算法中的時(shí)間軸上時(shí)間段取無(wú)窮小，故可以將瞬態(tài)物理過(guò)程看成準(zhǔn)靜態(tài)來(lái)處理。此時(shí)，器件中沒(méi)有自由電荷流動(dòng)，所以電場(chǎng)梯度為0， 式中E為電場(chǎng)強(qiáng)度， 而電場(chǎng)強(qiáng)度E可由電場(chǎng)強(qiáng)度的定義得到 由式(1)、(2)可以得到準(zhǔn)靜態(tài)下電勢(shì)V的分布方程 ΔV＝0(3) 根據(jù)焦耳熱公式，可以知道器件中產(chǎn)生的熱量 焦耳定律的微分形式 式中

為熱源強(qiáng)度，J為電流密度，σ為電導(dǎo)率，σ根據(jù)步驟B中說(shuō)明的等效電導(dǎo)率來(lái)設(shè)定。
根據(jù)電流密度的定義 J＝σ·E(5) 式中J為電流密度，σ為電導(dǎo)率，E為電場(chǎng)強(qiáng)度， 聯(lián)立方程(4)(5)，(2)可以得到 式中

為熱源強(qiáng)度，J為電流密度，σ為電導(dǎo)率，V為電勢(shì)。
根據(jù)基本熱傳導(dǎo)公式，可以知道器件中溫度分布 式中ρ為材料密度，t為時(shí)間，

為熱源強(qiáng)度，k為熱導(dǎo)率，C為熱容，T為溫度。此式的物理意義為單位時(shí)間升高單位溫度所需要的熱量等于材料自身產(chǎn)生的熱量加上從外界流入的熱量。由基本熱傳導(dǎo)公式即可推導(dǎo)出溫度分布方程。
以上計(jì)算方法中的公式推導(dǎo)以及如何采用有限元分析軟件利用有限元計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算均為本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的技術(shù)，具體地計(jì)算細(xì)節(jié)在此不再贅述。根據(jù)相變存儲(chǔ)單元的實(shí)際工藝尺寸，以下給出本發(fā)明的幾個(gè)優(yōu)選實(shí)施例。
實(shí)施例一 對(duì)基于180nm工藝條件下制造的底電極為260nm的相變存儲(chǔ)單元進(jìn)行模擬 首先建立其幾何模型，圖1為該幾何模型的縱向軸對(duì)稱剖面圖，包括Al材料引出電極11，SiO2隔離區(qū)域12，TiN上電極層13，GST相變材料14，W材料底電極15。圖中尺寸為d1＝510nm，d2＝20nm，d3＝120nm，d4＝550nm，l1＝200nm，l2＝300nm，l3＝130nm。
對(duì)基于180nm工藝條件下制造的底電極為260nm的相變存儲(chǔ)單元進(jìn)行測(cè)試，得到一組電流和電阻(RI)關(guān)系的數(shù)據(jù)。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，熔融態(tài)GST的電導(dǎo)率在1041/Ωm量級(jí)。調(diào)整熔融態(tài)GST的電導(dǎo)率數(shù)值，使得RESET電流的測(cè)試和模擬值吻合最佳，當(dāng)相變存儲(chǔ)單元的等效熔融態(tài)電導(dǎo)率調(diào)整為5×1041/Ωm時(shí)，模擬和測(cè)試結(jié)果都顯示RESET電流為16mA。在模擬RI關(guān)系時(shí)，將等效熔融態(tài)電導(dǎo)率的最佳取值5×1041/Ωm作為相變材料的等效電導(dǎo)率，按照步驟C和步驟D的方法進(jìn)行計(jì)算，即可得到該相變存儲(chǔ)單元負(fù)載不同電流下的電勢(shì)分布和溫度分布以及RI關(guān)系曲線。
對(duì)于RV特性模擬，因?yàn)榈纂姌O大，要實(shí)現(xiàn)reset操作，要融化的GST多，考慮到熔化焓，在熔點(diǎn)溫度要實(shí)現(xiàn)較多體積的晶態(tài)GST轉(zhuǎn)變?yōu)槿廴趹B(tài)GST，需要的熱量就要多，因此需要調(diào)整GST的晶態(tài)電導(dǎo)率，優(yōu)選200Ω為基準(zhǔn)電阻，將其視為相變材料全為晶態(tài)GST的器件電阻。
通過(guò)公式計(jì)算得到底電極為260nm尺寸的等效晶態(tài)電導(dǎo)率為50001/Ωm。
然后，將等效晶態(tài)電導(dǎo)率50001/Ωm作為相變材料的等效電導(dǎo)率，按照步驟C和步驟D的方法進(jìn)行計(jì)算，即可得到該相變存儲(chǔ)單元負(fù)載不同電壓下的電勢(shì)分布和溫度分布以及RV關(guān)系曲線。其中，在給相變材料電導(dǎo)率賦值為等效晶態(tài)電導(dǎo)率的情況下，得到RESET電壓為3.2V，這與測(cè)試結(jié)果吻合。以等效晶態(tài)電導(dǎo)率50001/Ωm為GST的電導(dǎo)率，模擬施加不同電壓下，reset操作后的電阻，得到的RV關(guān)系曲線圖和測(cè)試結(jié)果圖相近，如圖2、圖3所示。
實(shí)施例二 對(duì)130nm工藝尺寸下制作的電極大小為130nm的相變存儲(chǔ)單元進(jìn)行模擬 首先建立其幾何模型，圖4為該幾何模型的縱向軸對(duì)稱剖面圖，包括Al材料引出電極21，SiO2隔離區(qū)域22，TiN上電極層23，GST相變材料24，W材料底電極25。圖中尺寸為d1’＝490nm，d2’＝40nm，d3’＝150nm，d4’＝550nm，l1’＝200nm，l2’＝300nm，l3’＝65nm。
與實(shí)施例一相同，選取等效熔融態(tài)電導(dǎo)率為5×1041/Ωm。選擇基準(zhǔn)電阻為200Ω，將其視為相變材料全為晶態(tài)GST的器件電阻，得到底電極為130nm尺寸的等效晶態(tài)電導(dǎo)率為80001/Ωm。
然后按照步驟C和步驟D的方法進(jìn)行計(jì)算，即可得到該相變存儲(chǔ)單元負(fù)載不同電流或電壓下的電勢(shì)分布和溫度分布以及RI關(guān)系曲線和RV關(guān)系曲線。其中，如圖5和圖6所示，模擬施加不同電壓下，reset操作后的電阻，得到的RV關(guān)系曲線圖和測(cè)試結(jié)果圖吻合。
實(shí)施例三 對(duì)90nm工藝尺寸下制作的電極大小為90nm的相變存儲(chǔ)單元進(jìn)行模擬 首先建立其幾何模型，圖7為該幾何模型的縱向軸對(duì)稱剖面圖，包括Al材料引出電極31，SiO2隔離區(qū)域32，TiN上電極層33，GST相變材料34，W材料底電極35。圖中尺寸為d1”＝490nm，d2”＝40nm，d3”＝120nm，d4”＝550nm，l1”＝200nm，l2”＝300nm，l3”＝45nm。
與實(shí)施例一相同，選取等效熔融態(tài)電導(dǎo)率為5×1041/Ωm。選擇基準(zhǔn)電阻為200Ω，將其視為相變材料全為晶態(tài)GST的器件電阻，得到底電極為90nm尺寸的等效晶態(tài)電導(dǎo)率為200001/Ωm。
然后按照步驟C和步驟D的方法進(jìn)行計(jì)算，即可得到該相變存儲(chǔ)單元負(fù)載不同電流或電壓下的電勢(shì)分布和溫度分布以及RI關(guān)系曲線和RV關(guān)系曲線。其中，如圖8和圖9所示，模擬施加不同電壓下，reset操作后的電阻，得到的RV關(guān)系曲線圖和測(cè)試結(jié)果圖吻合。
以上實(shí)施例中不同工藝尺寸下相變存儲(chǔ)單元的部分參數(shù)如表1所示。
表1不同工藝尺寸下相變存儲(chǔ)單元的部分參數(shù) 至此該模擬方法介紹完畢，本發(fā)明中涉及的其他技術(shù)屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員熟悉的范疇，在此不再贅述。上述實(shí)施例僅用以說(shuō)明而非限制本發(fā)明的技術(shù)方案。任何不脫離本發(fā)明精神和范圍的技術(shù)方案均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的專利申請(qǐng)范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種相變存儲(chǔ)器的模擬方法，其特征在于，該方法包括以下步驟
A根據(jù)工藝要求建立相變存儲(chǔ)單元的幾何模型，使該幾何模型的尺寸和實(shí)際工藝尺寸一致；
B設(shè)定相變存儲(chǔ)單元中相變材料的等效電導(dǎo)率當(dāng)相變存儲(chǔ)單元負(fù)載電流時(shí)，相變材料的等效電導(dǎo)率為等效熔融態(tài)電導(dǎo)率，所述等效熔融態(tài)電導(dǎo)率設(shè)定為1041/Ωm量級(jí)的固定值；當(dāng)相變存儲(chǔ)單元負(fù)載電壓時(shí)，相變材料的等效電導(dǎo)率為等效晶態(tài)電導(dǎo)率，所述等效晶態(tài)電導(dǎo)率通過(guò)計(jì)算而得，式中R為基準(zhǔn)電阻，1為相變材料的厚度，S為相變材料的橫截面積，σ為所述的等效晶態(tài)電導(dǎo)率，其中基準(zhǔn)電阻為200～300Ω；
C在有限元分析軟件平臺(tái)中，按照相變存儲(chǔ)單元的幾何模型，將步驟B中設(shè)定的等效電導(dǎo)率作為相變材料的電導(dǎo)率，利用有限元計(jì)算法根據(jù)電熱耦合方程計(jì)算出相變存儲(chǔ)單元負(fù)載不同電流或電壓下的電勢(shì)分布和溫度分布；
D通過(guò)步驟C計(jì)算出的溫度分布，得到相變材料的熔融區(qū)域，計(jì)算出相變存儲(chǔ)單元在負(fù)載電流或者電壓后常溫下的電阻值，從而得到RI關(guān)系曲線或RV關(guān)系曲線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種相變存儲(chǔ)器的模擬方法，其特征在于還包括
根據(jù)步驟D中算得的相變存儲(chǔ)單元在負(fù)載電流或者電壓后常溫下的電阻值判斷器件是否實(shí)現(xiàn)RESET，該電阻值為低阻態(tài)時(shí)，未實(shí)現(xiàn)RESET，該電阻值為高阻態(tài)時(shí)，則實(shí)現(xiàn)了RESET。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種相變存儲(chǔ)器的模擬方法，其特征在于步驟C中根據(jù)電熱耦合方程計(jì)算相變存儲(chǔ)單元的電勢(shì)分布和溫度分布時(shí)，涉及的材料的熱導(dǎo)率取常數(shù)，該常數(shù)為室溫下材料的熱導(dǎo)率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種相變存儲(chǔ)器的模擬方法，其特征在于步驟C中根據(jù)電熱耦合方程計(jì)算相變存儲(chǔ)單元的電勢(shì)分布和溫度分布時(shí)，涉及的材料的熱容取常數(shù)，該常數(shù)為室溫下材料的熱容。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種相變存儲(chǔ)器的模擬方法，其特征在于步驟D中利用有限元計(jì)算法根據(jù)電熱耦合方程計(jì)算相變存儲(chǔ)單元的電勢(shì)分布和溫度分布，包括以下步驟
a根據(jù)準(zhǔn)靜態(tài)電場(chǎng)公式得到相變存儲(chǔ)單元的電勢(shì)分布；
b根據(jù)步驟a得到的電勢(shì)分布以及焦耳熱公式計(jì)算相變存儲(chǔ)單元產(chǎn)生的熱量；
c根據(jù)步驟b得到的熱量以及熱傳導(dǎo)公式計(jì)算相變存儲(chǔ)單元的溫度分布。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種相變存儲(chǔ)器的模擬方法，其特征在于步驟B中的等效熔融態(tài)電導(dǎo)率按照以下方法選取首先，對(duì)以180nm工藝尺寸制作的相變存儲(chǔ)單元進(jìn)行RI測(cè)試，得到RI關(guān)系的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；然后，選取不同數(shù)值的1041/Ωm量級(jí)的值作為相變材料的電導(dǎo)率進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)步驟C、D中的計(jì)算方法求出RI關(guān)系曲線，從而找到使求得的RI關(guān)系曲線與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合最佳的值，作為等效熔融態(tài)電導(dǎo)率。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種相變存儲(chǔ)器的模擬方法，其特征在于所述的等效熔融態(tài)電導(dǎo)率為5×1041/Ωm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種相變存儲(chǔ)器的模擬方法，其特征在于步驟B中的基準(zhǔn)電阻按照以下方法選取首先，對(duì)以180nm工藝尺寸制作的相變存儲(chǔ)單元進(jìn)行RV測(cè)試，得到RV關(guān)系的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；然后，選取不同的數(shù)值作為相變材料的電導(dǎo)率按照步驟C、D中的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算，從而找到使計(jì)算的RV關(guān)系曲線與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合最佳的數(shù)值作為基準(zhǔn)數(shù)值；以該基準(zhǔn)數(shù)值作為相變材料的電導(dǎo)率來(lái)計(jì)算該相變存儲(chǔ)單元的電阻，作為基準(zhǔn)電阻。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種相變存儲(chǔ)器的模擬方法，其特征在于基準(zhǔn)電阻為200Ω。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種相變存儲(chǔ)器的模擬方法，包括以下步驟A.根據(jù)工藝要求建立相變存儲(chǔ)單元的幾何模型；B.當(dāng)相變存儲(chǔ)單元負(fù)載電流時(shí)，相變材料的電導(dǎo)率設(shè)定為等效熔融態(tài)電導(dǎo)率為1041/Ωm量級(jí)的固定值；當(dāng)負(fù)載電壓時(shí)，相變材料的電導(dǎo)率設(shè)定為等效晶態(tài)電導(dǎo)率，通過(guò)計(jì)算而得，式中R為基準(zhǔn)電阻；C.利用有限元計(jì)算法根據(jù)電熱耦合方程計(jì)算出相變存儲(chǔ)單元負(fù)載不同電流或電壓下的電勢(shì)分布和溫度分布；D.根據(jù)相變材料的熔融區(qū)域，計(jì)算相變存儲(chǔ)單元在負(fù)載不同電流或者電壓下的電阻值，從而得到RI關(guān)系曲線或RV關(guān)系曲線。本發(fā)明通過(guò)引入基準(zhǔn)電阻，求得不同工藝尺寸下相變材料的等效電導(dǎo)率，能夠在不同工藝尺寸下模擬器件的電場(chǎng)和熱場(chǎng)及RI和RV的關(guān)系。
文檔編號(hào)G06F17/50GK101763452SQ201010022539
公開(kāi)日2010年6月30日 申請(qǐng)日期2010年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月7日
發(fā)明者龔岳峰, 宋志棠, 凌云, 劉燕, 李宜瑾 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所