專利名稱：相變存儲器單元的spice模型系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種SPICE模型系統(tǒng)，特別涉及一種相變存儲器單元的SPICE模型系 統(tǒng)。
背景技術(shù)：
相變存儲器技術(shù)是基于20世紀60年代末70年代初提出的相變薄膜可以應(yīng)用于 相變存儲介質(zhì)的構(gòu)想建立起來的。相變存儲器是一種價格便宜、性能穩(wěn)定的存儲器件。相 變存儲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 料和引出電極材料，其研究熱點也就圍繞其器件工藝展開。器件的物理機制研究包括如何 減少器件材料等。相變存儲器的基本原理是利用電脈沖信號作用于器件單元上，使相變材 料在非晶態(tài)與多晶態(tài)之間發(fā)生可逆相變，通過分辨非晶態(tài)時的高阻與多晶態(tài)時的低阻實現(xiàn) 信息的寫入、擦除和讀出操作。相變存儲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、抗強震動和抗輻射等優(yōu)點，被國際半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會認為是最有可能取代 目前的閃存存儲器而成為未來存儲器主流產(chǎn)品和最先成為商用產(chǎn)品的器件。相變存儲器的讀、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 流脈沖信號擦操作(RESET)，當加一個短且強的脈沖信號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)過快速冷卻從而實現(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)，當施加一個長且中等強度的脈沖信號使相變材料溫度升 到熔化溫度之下、結(jié)晶溫度之上后，并保持一段時間促使晶核生長，從而實現(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，當加一個對相變材料的狀態(tài)不會產(chǎn)生影響的 很弱的脈沖信號后，通過測量器件單元的電阻值來讀取它的狀態(tài)。相變存儲器是最有希望成為下一代非揮發(fā)性存儲器，對于相變存儲器的應(yīng)用和商 業(yè)化而言，設(shè)計有效的實現(xiàn)電路是十分重要的。電路設(shè)計需要一個正確的模型去準確和有 效的模擬相變存儲器單元的行為。相變存儲單元的SPICE模型既要能夠正確地反映出相變 單元的物理特性，又要考慮其運用在具體電路中時的仿真速度。因此，選擇一種合適的建模 方法對模型的最終性能起著決定性的作用。在已有的模型當中，閾值電壓或閾值電流作為 相變存儲單元的閾值開關(guān)，導(dǎo)致模型結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因此，迫切需要一種更為簡化的模型來 對相變存儲單元進行仿真。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單且有效的相變存儲器單元的SPICE模型系 統(tǒng)。為了達到上述目的及其他目的，本發(fā)明提供的相變存儲器單元的SPICE模型系 統(tǒng)，包括相變電阻模塊，用于提供與相變存儲單元的結(jié)晶狀態(tài)相關(guān)聯(lián)的相變存儲單元電阻 的表述方法，以便模擬出隨結(jié)晶狀態(tài)的變化而變化的電阻；溫度計算模塊，用于提供相變存 儲單元在電壓或電流作用下、根據(jù)相變存儲單元的熱導(dǎo)、相變存儲單元的加熱電極、相變區(qū)和散熱區(qū)的半徑、及相變單元的熱電容來計算溫度的方法，以便當所模擬出的電阻上附加 電壓或電流時進行溫度的計算；狀態(tài)存儲模塊，用于提供存儲相變存儲單元的狀態(tài)的電路 結(jié)構(gòu)，以便根據(jù)所計算出的溫度來調(diào)整所存儲的狀態(tài)；以及結(jié)晶率計算模塊，用于提供相變 存儲單元結(jié)晶率的計算方法，以便當所計算出的溫度高于結(jié)晶溫度但低于熔化溫度時計算
結(jié)晶率。綜上所述，本發(fā)明的相變存儲器單元的SPICE模型系統(tǒng)由于采用相變電阻中自有 的結(jié)晶率Cx作為開關(guān)，從而使得這種模型系統(tǒng)更加簡潔。


圖1為本發(fā)明的相變存儲器單元的SPICE模型系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明的相變存儲器單元的SPICE模型系統(tǒng)的狀態(tài)存儲模塊提供的電路結(jié) 構(gòu)示意圖。圖3為對本發(fā)明的相變存儲器單元的SPICE模型系統(tǒng)的瞬態(tài)模擬結(jié)果示意圖。圖4為對本發(fā)明的相變存儲器單元的SPICE模型系統(tǒng)的直流模擬結(jié)果示意圖。
具體實施例方式請參閱圖1，本發(fā)明的相變存儲器單元的SPICE模型系統(tǒng)包括相變電阻模塊1、溫 度計算模塊2、狀態(tài)存儲模塊3、及結(jié)晶率計算模塊4等。所述相變電阻模塊1用于提供與相變存儲單元的結(jié)晶狀態(tài)相關(guān)聯(lián)的相變存儲單 元電阻的表述方法，以便模擬出隨結(jié)晶狀態(tài)的變化而變化的電阻。在本實施例中，采用R = (I-Cx) Ra+CXR。來表述相變存儲單元的電阻，其中，R是相變存儲單元的電阻，Ra是相變電阻 全為非晶態(tài)時的電阻，Rc是相變電阻全為晶態(tài)時的電阻，Cx是相變電阻的結(jié)晶率，當Cx為0 時，相變電阻為非晶態(tài)，當Cx為1時，相變電阻為晶態(tài)，而R。和Ra遵循阿紐列斯定律，即Ra =Roaexp (Ea/KBT)，Rc = Rocexp (E。/KBT)，Roa>Roc分別為非晶態(tài)和晶態(tài)的電阻系數(shù)，Ea和Ec分 別為非晶態(tài)和晶態(tài)時的激活能，Kb為波爾茲曼常數(shù)，T為溫度。所述溫度計算模塊2用于提供相變存儲單元在電壓或電流作用下、根據(jù)相變存儲 單元的熱導(dǎo)、相變存儲單元的加熱電極、相變區(qū)和散熱區(qū)的半徑、及相變單元的熱電容來計 算溫度的方法，以便當所模擬出的電阻上附加電壓或電流時進行溫度的計算。例如，可采
權(quán)利要求
一種相變存儲器單元的SPICE模型系統(tǒng)，其特征在于包括相變電阻模塊，用于提供與相變存儲單元的結(jié)晶狀態(tài)相關(guān)聯(lián)的相變存儲單元電阻的表述方法，以便模擬出隨結(jié)晶狀態(tài)的變化而變化的電阻；溫度計算模塊，用于提供相變存儲單元在電壓或電流作用下、根據(jù)相變存儲單元的熱導(dǎo)、相變存儲單元的加熱電極、相變區(qū)和散熱區(qū)的半徑、及相變單元的熱電容來計算溫度的方法，以便當所模擬出的電阻上附加電壓或電流時進行溫度的計算；狀態(tài)存儲模塊，用于提供存儲相變存儲單元的狀態(tài)的電路結(jié)構(gòu)，以便根據(jù)所計算出的溫度來調(diào)整所存儲的狀態(tài)；結(jié)晶率計算模塊，用于提供相變存儲單元結(jié)晶率的計算方法，以便當所計算出的溫度高于結(jié)晶溫度但低于熔化溫度時計算結(jié)晶率。
2.如權(quán)利要求1所述的相變存儲器單元的SPICE模型系統(tǒng)，其特征在于所提供的相 變存儲單元電阻的表述為R= (I-Cx)Ra+CXR。，其中，R是相變存儲單元的電阻，艮是相變電 阻全為非晶態(tài)時的電阻，R。是相變電阻全為晶態(tài)時的電阻，Cx是相變電阻的結(jié)晶率，當(；為 0時，相變電阻為非晶態(tài)，當Cx為1時，相變電阻為晶態(tài)。
3.如權(quán)利要求2所述的相變存儲器單元的SPICE模型系統(tǒng)，其特征在于R。和Ra遵循 阿紐列斯定律。
4.如權(quán)利要求1所述的相變存儲器單元的SPICE模型系統(tǒng)，其特征在于所提供的計算溫度的方法為
5.如權(quán)利要求1所述的相變存儲器單元的SPICE模型系統(tǒng)，其特征在于所述狀態(tài)存 儲模塊提供RC結(jié)構(gòu)的電路來存儲相變存儲單元的狀態(tài)。
6.如權(quán)利要求1所述的相變存儲器單元的SPICE模型系統(tǒng)，其特征在于結(jié)晶率計算 模塊提供JMAK方程來計算相變存儲單元結(jié)晶率。
全文摘要
本發(fā)明提供一種相變存儲器單元的SPICE模型系統(tǒng)，其包括相變電阻模塊、溫度計算模塊、狀態(tài)存儲模塊和結(jié)晶率計算模塊。相變電阻模塊主要用于表述相變存儲單元的電阻模型，溫度計算模塊用于計算相變存儲單元在電壓或電流作用下的溫度情況，狀態(tài)存儲模塊用于存儲相變存儲單元Set和Reset狀態(tài)的變化，結(jié)晶率計算模塊用于相變存儲單元溫度變化時的結(jié)晶率的變化情況。采用Verilog-A語言進行描述，對相變存儲單元可以進行模擬，調(diào)節(jié)各個參數(shù)，可以得到和實際測試結(jié)果相吻合的結(jié)果，并提供給電路設(shè)計者使用。
文檔編號H01L27/24GK101976724SQ20101025520
公開日2011年2月16日 申請日期2010年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月17日
發(fā)明者宋志棠, 李喜, 蔡道林, 陳后鵬 申請人:中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所