硫屬相變存儲器CRAM的存儲元結構設計及優(yōu)化.pdf

1、硫系化合物隨機存儲器CRAM利用電流脈沖的熱效應使其存儲物質——硫系化合物發(fā)生具有巨大阻值差異（3～5個數(shù)量級）的可逆結構相變（晶態(tài)和非晶態(tài)）來記錄和讀取數(shù)據(jù)。它具有元件尺寸小、功耗低、可多級存儲，制作工藝簡單等優(yōu)點。此外，該存儲技術與材料帶電粒子的狀態(tài)無關，從而具有很強的抗空間輻射能力，能滿足國防和航天需求，是目前國內外重點研制的新型存儲器。 在CRAM的研究過程中遇到的最大問題便是操作電流過大，不能與現(xiàn)有的CMOS實現(xiàn)電兼容

2、，另外CRAM工作中產(chǎn)生的大量熱能會影響CMOS的正常工作，因此存儲元與CMOS的熱兼容問題也成為CRAM走向實用化的制約因素。 針對以上問題，本文根據(jù)CRAM的工作原理與特點，從CRAM存儲元的熱傳導模型出發(fā)，利用數(shù)值方法模擬并分析CRAM存儲元中的熱場分布及其演化過程，著重考察數(shù)據(jù)重寫時CRAM存儲元在電流脈沖作用下的發(fā)熱對CMOS電路的熱影響和相變材料的相變情況。 設計出具有兩層GST材料的“工”型存儲單元，實現(xiàn)了

3、存儲元與CMOS的熱兼容。通過分析傳統(tǒng)存儲元結構的熱場發(fā)現(xiàn)相變材料GST具有很好的隔熱性能，于是在底電極和加熱層之間插入一層GST，一方面利用GST的隔熱性有效阻止加熱層產(chǎn)生的大量熱量向底電極擴散，實現(xiàn)了存儲元與CMOS的熱兼容；另一方面兩層GST同時發(fā)生相變，可以提高熱能利用率，降低寫電流。 通過器件優(yōu)化設計，極大地減小了寫電流，實現(xiàn)了器件的低功耗。本文通過對存儲元各層材料尺寸對寫電流的影響的分析，并結合電路模擬尋找最大傳輸功