专利名称：一种相变存储器的模拟方法
技术领域：
本发明涉及一种存储器的模拟方法，尤其是指一种可指导器件电路设计和器件工艺的相变存储器的模拟方法。本发明属于微纳电子学技术领域。
背景技术：
相变存储器技术是基于Ovshinsky在20世纪60年代末70年代初提出的相变薄膜可以应用于相变存储介质的构想建立起来的，是一种价格便宜、性能稳定的存储器件。相变存储器可以做在硅晶片衬底上，其关键材料是可记录的相变薄膜、加热电极材料、绝热材料和引出电极材的研究热点也就围绕其器件工艺展开器件的物理机制研究，包括如何减小器件料等。相变存储器的基本原理是利用电脉冲信号作用于器件单元上，使相变材料在非晶态与多晶态之间发生可逆相变，通过分辨非晶态时的高阻与多晶态时的低阻，可以实现信息的写入、擦除和读出操作。
相变存储器由于具有高速读取、高可擦写次数、非易失性、元件尺寸小、功耗低、抗强震动和抗辐射等优点，被国际半导体工业协会认为最有可能取代目前的闪存存储器而成为未来存储器主流产品和最先成为商用产品的器件。
相变存储器的读、写、擦操作就是在器件单元上施加不同宽度和高度的电压或电流脉冲信号擦操作(RESET)，当加一个短且强的脉冲信号使器件单元中的相变材料温度升高到熔化温度以上后，再经过快速冷却从而实现相变材料多晶态到非晶态的转换，即“1”态到“0”态的转换；写操作(SET)，当施加一个长且中等强度的脉冲信号使相变材料温度升到熔化温度之下、结晶温度之上后，并保持一段时间促使晶核生长，从而实现非晶态到多晶态的转换，即“0”态到“1”态的转换；读操作，当加一个对相变材料的状态不会产生影响的很弱的脉冲信号后，通过测量器件单元的电阻值来读取它的状态。
目前，在不同工艺尺寸下的相变存储器器件模拟还没有系统商业产品，对不同尺寸下的电学特性研究还局限在同样的工艺尺寸下，通过调整材料参数，以一个基准模型为准，对同等工艺尺寸下器件的电学和热学特性比较。虽然模型能够给出吻合测试数据的RI曲线，但是并不能给出电压和电阻关系。在本专利的器件模拟方法中，通过引入等效基准电阻，进而求得不同特征工艺尺寸下相变材料的等效电导率，能够在不同工艺尺寸下模拟器件的电场和热场，模拟的RI和RV关系，均吻合实际测试数据。
发明内容
本发明主要解决的技术问题在于提供一种相变存储器的模拟方法，能够在不同工艺尺寸下模拟相变存储单元的电场和热场，模拟RI和RV的关系。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案 一种相变存储器的模拟方法，包括以下步骤 A根据工艺要求建立相变存储单元的几何模型，使该几何模型的尺寸和实际工艺尺寸一致； B设定相变存储单元中相变材料的等效电导率当相变存储单元负载电流时，相变材料的等效电导率为等效熔融态电导率，所述等效熔融态电导率设定为1041/Ωm量级的固定值；当相变存储单元负载电压时，相变材料的等效电导率为等效晶态电导率，所述等效晶态电导率通过计算而得，式中R为基准电阻，1为相变材料的厚度，S为相变材料的横截面积，σ为所述的等效晶态电导率，其中基准电阻为200～300Ω； C在有限元分析软件平台中，按照相变存储单元的几何模型，将步骤B中设定的等效电导率作为相变材料的电导率，利用有限元计算法根据电热耦合方程计算出相变存储单元负载不同电流或电压下的电势分布和温度分布； D通过步骤C计算出的温度分布，得到相变材料的熔融区域，计算出相变存储单元在负载电流或者电压后常温下的电阻值，从而得到RI关系曲线或RV关系曲线。
进一步地，该模拟方法还包括根据步骤D中算得的相变存储单元在负载电流或者电压后常温下的电阻值判断器件是否实现RESET，该电阻值为低阻态时，未实现RESET，该电阻值为高阻态时，则实现了RESET。
进一步地，步骤C中根据电热耦合方程计算相变存储单元的电势分布和温度分布时，涉及的材料的热导率取常数，该常数为室温下材料的热导率。
进一步地，步骤C中根据电热耦合方程计算相变存储单元的电势分布和温度分布时，涉及的材料的热容取常数，该常数为室温下材料的热容。
进一步地，该模拟方法步骤D中利用有限元计算法根据电热耦合方程计算相变存储单元的电势分布和温度分布，包括以下步骤 a根据准静态电场公式得到相变存储单元的电势分布； b根据步骤a得到的电势分布以及焦耳热公式计算相变存储单元产生的热量； c根据步骤b得到的热量以及热传导公式计算相变存储单元的温度分布。
作为本发明的优选方案之一，步骤B中的等效熔融态电导率按照以下方法选取首先，对以180nm工艺尺寸制作的相变存储单元进行RI测试，得到RI关系的实验数据；然后，选取不同数值的1041/Ωm量级的值作为相变材料的电导率进行计算，根据步骤C、D中的计算方法求出RI关系曲线，从而找到使求得的RI关系曲线与实验数据吻合最佳的值，作为等效熔融态电导率。
作为本发明的优选方案之一，所述的等效熔融态电导率为5×1041/Ωm。
作为本发明的优选方案之一，步骤B中的基准电阻按照以下方法选取首先，对以180nm工艺尺寸制作的相变存储单元进行RV测试，得到RV关系的实验数据；然后，选取不同的数值作为相变材料的电导率按照步骤C、D中的计算方法进行计算，从而找到使计算的RV关系曲线与实验数据吻合最佳的数值作为基准数值；以该基准数值作为相变材料的电导率来计算该相变存储单元的电阻，作为基准电阻。
作为本发明的优选方案之一，基准电阻为200Ω。
在相变存储器RESET操作中，相变存储单元负载电压或电流，在电场产生的焦耳热作用下，相变材料熔融，此时迅速降温，熔融态区域形成非晶。当熔融区域盖住下电极时，形成高阻串联，此时RESET操作成功。在实际测试中，如果用电流源，测得的RI(电阻电流)特性是器件中相变材料在熔融态下的电流和RESET操作后的电阻值；如果用电压源测试，测得的RV(电阻电压)特性是器件中相变材料在晶态情况下的电压和RESET操作后的电阻值。
本发明的模拟方法中，对于RI关系曲线，在模拟过程中，将相变材料的电导率设为等效熔融态电导率。对于RV关系曲线，因为还要考虑到熔化相变材料的过程，在模拟过程中，将相变材料的电导率设为等效晶态电导率。对于不同特征尺寸的器件，对于RI特性，因为熔融态相变材料GST电导率很大(～5×1041/Ωm)，熔融态电导率随温度的变化对电流影响较小，对模拟结果影响较小，所以可以设定一个与温度无关的固定值。对于RV特性，在计算晶态相变材料GST的等效电导率时，以一个基准电阻200～300Ω根据实际的工艺尺寸来计算此时的等效晶态电导率，通过计算得的等效晶态电导率模拟RV特性。
本发明在进行模拟计算时简化了相变材料的电学和热学参数，对于RI特性，引入了固定的等效熔融态电导率，对于RV特性，根据基准电阻引入了与实际工艺尺寸相关的等效晶态电导率。经过与实际测试的比较，等效电导率的引入能够保证模拟结果的准确性。本发明的方案不仅能够模拟出RI关系还能模拟出RV关系，解决了现有技术中不能给出电压和电阻关系的问题，并且由于引入了随着工艺尺寸变化而变化的等效晶态电导率，从而能够准确模拟出在不同工艺尺寸下器件的电场和热场。
因此，本模拟方法有较高的准确度，采用本方法模拟器件能得到器件的电场和热场分布及RI、RV关系，进而得到器件实现RESET的负载电压或电流，这些对器件电路设计和器件工艺具有很好的指导作用。
图1是180nm工艺尺寸下制作的电极大小为260nm的相变存储器纵向轴对称剖面图； 图2是260nm尺寸器件RV关系曲线的测试结果； 图3是260nm尺寸器件RV关系曲线的模拟结果； 图4是130nm工艺尺寸下制作的电极大小为130nm的相变存储器纵向轴对称剖面图； 图5是130nm尺寸器件RV关系曲线的测试结果； 图6是130nm尺寸器件RV关系曲线的模拟结果； 图7是90nm工艺尺寸下制作的电极大小为90nm的相变存储器纵向轴对称剖面图； 图8是90nm尺寸器件RV关系曲线的测试结果； 图9是90nm尺寸器件RV关系曲线的模拟结果； 图中主要标记说明 11实施例一的Al材料引出电极 12实施例一的SiO2隔离区域 13实施例一的TiN上电极层 14实施例一的GST相变材料 15实施例一的W材料底电极 21实施例二的Al材料引出电极 22实施例二的SiO2隔离区域 23实施例二的TiN上电极层 24实施例二的GST相变材料 25实施例二的W材料底电极 31实施例三的Al材料引出电极 32实施例三的SiO2隔离区域 33实施例三的TiN上电极层 34实施例三的GST相变材料 35实施例三的W材料底电极
具体实施例方式 下面结合附图进一步说明本发明的具体实施步骤，为了示出的方便附图并未按照比例绘制。
本发明的相变存储器的模拟方法，包括以下步骤 A根据工艺要求建立相变存储单元的几何模型，使该几何模型的尺寸和实际工艺尺寸一致。
B设定相变存储单元中相变材料的等效电导率当相变存储单元负载电流时，相变材料的等效电导率为等效熔融态电导率，所述等效熔融态电导率设定为1041/Ωm量级的固定值；当相变存储单元负载电压时，相变材料的等效电导率为等效晶态电导率，所述等效晶态电导率通过计算而得，式中R为基准电阻，1为相变材料的厚度，S为相变材料的横截面积，σ为所述的等效晶态电导率，其中基准电阻为200～300Ω。
步骤B中的等效熔融态电导率按照以下方法可选取出最佳值首先，对以特征工艺尺寸实际制作的相变存储单元进行RI测试，得到RI关系的实验数据；然后，选取不同数值的1041/Ωm量级的值作为相变材料的电导率进行计算，根据步骤C、D中的计算方法求出RI关系曲线，从而找到使计算的RI关系曲线与实验数据吻合最佳的值，作为等效熔融态电导率。其中，所述的特征工艺尺寸制作的相变存储单元优选为180nm工艺下制作的相变存储单元，得到的等效熔融态电导率为5×1041/Ωm。
步骤B中的基准电阻按照以下方法可选取出最佳值首先，对以特征工艺尺寸实际制作的相变存储单元进行RV测试，得到RV关系的实验数据；然后，选取不同的数值作为相变材料的电导率按照步骤C、D中的计算方法进行计算，从而找到使计算的RV关系曲线与实验数据吻合最佳的数值作为基准数值；以该基准数值作为相变材料的电导率来计算该相变存储单元的电阻，作为基准电阻。其中，所述的特征工艺尺寸制作的相变存储单元优选为180nm工艺下制作的相变存储单元，得到的基准电阻为200Ω。
C在有限元分析软件平台中，按照相变存储单元的几何模型，将步骤B中设定的等效电导率作为相变材料的电导率，利用有限元计算法根据电热耦合方程计算出相变存储单元负载不同电流或电压下的电势分布和温度分布。
步骤C中根据电热耦合方程计算相变存储单元的电势分布和温度分布时，涉及的材料的热导率、热容取与温度无关的常数，为室温下材料的热导率、热容。
D通过步骤C计算出的温度分布得到相变材料的熔融区域，冷却后熔融区域内的相变材料由晶态转变为非晶态，计算出相变存储单元在负载电流或者电压后常温下的电阻值，计算时将熔融区域的电导率替换为常温下相变材料非晶态的电导率，进而得到RI关系曲线或RV关系曲线。
步骤D的具体计算方法如下根据步骤C计算出的温度分布，按照等温线划分熔融区域，改变熔融区域的电导率为常温下真实的相变材料非晶态的电导率(31/Ωm)，此时更新电学模型，计算出相变存储单元在负载电流或者电压后常温下的器件电阻值。这里计算相变存储单元的电阻值的方法为本领域技术人员的公知方法。以此可得到相变存储单元在负载不同的电流或者电压后常温下的电阻值，从而得到RI关系曲线或RV关系曲线。
根据步骤D中算得的相变存储单元的电阻值判断器件是否实现RESET，该电阻值为低阻态时，未实现RESET，该电阻值为高阻态时，则实现了RESET。一般可以看到如果在RESET操作过程中(相变存储单元负载电流或者电压)，熔融态区域封住底电极，在降温后，熔融区域转变成低电导率的非晶，此时相变存储单元可以看成是一个高阻和低阻的串联，实现高阻态，高阻态的值一般大于100kΩ；如果在RESET操作过程中，熔融态区域没有封住底电极，在降温后，熔融区域转变成低电导率的非晶，此时相变存储单元可以看成是一个高阻和低阻的并联，没有实现高阻态，而保持低阻态，低阻态的值一般在1kΩ左右。
进一步地，该模拟方法C步骤中利用有限元计算法根据电热耦合方程计算相变存储单元的电势分布和温度分布，包括以下步骤a根据准静态电场公式得到相变存储单元的电势分布；b根据步骤a得到的电势分布以及焦耳热公式计算相变存储单元产生的热量；c根据步骤b得到的热量以及热传导公式计算相变存储单元的温度分布。
其计算方法具体如下 设定相变存储单元中下电极、相变材料、上电极等各个区域的电导率、热导率、热容等关键物理参数。涉及的材料的热导率、热容取室温下该材料的热导率、热容。根据准静态电场公式(1)，可以得到器件中电势分布 对于模拟器件RESET/SET操作中的瞬态物理图片，有限元计算法中的时间轴上时间段取无穷小，故可以将瞬态物理过程看成准静态来处理。此时，器件中没有自由电荷流动，所以电场梯度为0， 式中E为电场强度， 而电场强度E可由电场强度的定义得到 由式(1)、(2)可以得到准静态下电势V的分布方程 ΔV＝0(3) 根据焦耳热公式，可以知道器件中产生的热量 焦耳定律的微分形式 式中
为热源强度，J为电流密度，σ为电导率，σ根据步骤B中说明的等效电导率来设定。
根据电流密度的定义 J＝σ·E(5) 式中J为电流密度，σ为电导率，E为电场强度， 联立方程(4)(5)，(2)可以得到 式中
为热源强度，J为电流密度，σ为电导率，V为电势。
根据基本热传导公式，可以知道器件中温度分布 式中ρ为材料密度，t为时间，
为热源强度，k为热导率，C为热容，T为温度。此式的物理意义为单位时间升高单位温度所需要的热量等于材料自身产生的热量加上从外界流入的热量。由基本热传导公式即可推导出温度分布方程。
以上计算方法中的公式推导以及如何采用有限元分析软件利用有限元计算方法进行计算均为本领域技术人员熟知的技术，具体地计算细节在此不再赘述。根据相变存储单元的实际工艺尺寸，以下给出本发明的几个优选实施例。
实施例一 对基于180nm工艺条件下制造的底电极为260nm的相变存储单元进行模拟 首先建立其几何模型，图1为该几何模型的纵向轴对称剖面图，包括Al材料引出电极11，SiO2隔离区域12，TiN上电极层13，GST相变材料14，W材料底电极15。图中尺寸为d1＝510nm，d2＝20nm，d3＝120nm，d4＝550nm，l1＝200nm，l2＝300nm，l3＝130nm。
对基于180nm工艺条件下制造的底电极为260nm的相变存储单元进行测试，得到一组电流和电阻(RI)关系的数据。根据文献报道，熔融态GST的电导率在1041/Ωm量级。调整熔融态GST的电导率数值，使得RESET电流的测试和模拟值吻合最佳，当相变存储单元的等效熔融态电导率调整为5×1041/Ωm时，模拟和测试结果都显示RESET电流为16mA。在模拟RI关系时，将等效熔融态电导率的最佳取值5×1041/Ωm作为相变材料的等效电导率，按照步骤C和步骤D的方法进行计算，即可得到该相变存储单元负载不同电流下的电势分布和温度分布以及RI关系曲线。
对于RV特性模拟，因为底电极大，要实现reset操作，要融化的GST多，考虑到熔化焓，在熔点温度要实现较多体积的晶态GST转变为熔融态GST，需要的热量就要多，因此需要调整GST的晶态电导率，优选200Ω为基准电阻，将其视为相变材料全为晶态GST的器件电阻。
通过公式计算得到底电极为260nm尺寸的等效晶态电导率为50001/Ωm。
然后，将等效晶态电导率50001/Ωm作为相变材料的等效电导率，按照步骤C和步骤D的方法进行计算，即可得到该相变存储单元负载不同电压下的电势分布和温度分布以及RV关系曲线。其中，在给相变材料电导率赋值为等效晶态电导率的情况下，得到RESET电压为3.2V，这与测试结果吻合。以等效晶态电导率50001/Ωm为GST的电导率，模拟施加不同电压下，reset操作后的电阻，得到的RV关系曲线图和测试结果图相近，如图2、图3所示。
实施例二 对130nm工艺尺寸下制作的电极大小为130nm的相变存储单元进行模拟 首先建立其几何模型，图4为该几何模型的纵向轴对称剖面图，包括Al材料引出电极21，SiO2隔离区域22，TiN上电极层23，GST相变材料24，W材料底电极25。图中尺寸为d1’＝490nm，d2’＝40nm，d3’＝150nm，d4’＝550nm，l1’＝200nm，l2’＝300nm，l3’＝65nm。
与实施例一相同，选取等效熔融态电导率为5×1041/Ωm。选择基准电阻为200Ω，将其视为相变材料全为晶态GST的器件电阻，得到底电极为130nm尺寸的等效晶态电导率为80001/Ωm。
然后按照步骤C和步骤D的方法进行计算，即可得到该相变存储单元负载不同电流或电压下的电势分布和温度分布以及RI关系曲线和RV关系曲线。其中，如图5和图6所示，模拟施加不同电压下，reset操作后的电阻，得到的RV关系曲线图和测试结果图吻合。
实施例三 对90nm工艺尺寸下制作的电极大小为90nm的相变存储单元进行模拟 首先建立其几何模型，图7为该几何模型的纵向轴对称剖面图，包括Al材料引出电极31，SiO2隔离区域32，TiN上电极层33，GST相变材料34，W材料底电极35。图中尺寸为d1”＝490nm，d2”＝40nm，d3”＝120nm，d4”＝550nm，l1”＝200nm，l2”＝300nm，l3”＝45nm。
与实施例一相同，选取等效熔融态电导率为5×1041/Ωm。选择基准电阻为200Ω，将其视为相变材料全为晶态GST的器件电阻，得到底电极为90nm尺寸的等效晶态电导率为200001/Ωm。
然后按照步骤C和步骤D的方法进行计算，即可得到该相变存储单元负载不同电流或电压下的电势分布和温度分布以及RI关系曲线和RV关系曲线。其中，如图8和图9所示，模拟施加不同电压下，reset操作后的电阻，得到的RV关系曲线图和测试结果图吻合。
以上实施例中不同工艺尺寸下相变存储单元的部分参数如表1所示。
表1不同工艺尺寸下相变存储单元的部分参数 至此该模拟方法介绍完毕，本发明中涉及的其他技术属于本领域技术人员熟悉的范畴，在此不再赘述。上述实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案。任何不脱离本发明精神和范围的技术方案均应涵盖在本发明的专利申请范围当中。
权利要求
1.一种相变存储器的模拟方法，其特征在于，该方法包括以下步骤
A根据工艺要求建立相变存储单元的几何模型，使该几何模型的尺寸和实际工艺尺寸一致；
B设定相变存储单元中相变材料的等效电导率当相变存储单元负载电流时，相变材料的等效电导率为等效熔融态电导率，所述等效熔融态电导率设定为1041/Ωm量级的固定值；当相变存储单元负载电压时，相变材料的等效电导率为等效晶态电导率，所述等效晶态电导率通过计算而得，式中R为基准电阻，1为相变材料的厚度，S为相变材料的横截面积，σ为所述的等效晶态电导率，其中基准电阻为200～300Ω；
C在有限元分析软件平台中，按照相变存储单元的几何模型，将步骤B中设定的等效电导率作为相变材料的电导率，利用有限元计算法根据电热耦合方程计算出相变存储单元负载不同电流或电压下的电势分布和温度分布；
D通过步骤C计算出的温度分布，得到相变材料的熔融区域，计算出相变存储单元在负载电流或者电压后常温下的电阻值，从而得到RI关系曲线或RV关系曲线。
2.根据权利要求1所述一种相变存储器的模拟方法，其特征在于还包括
根据步骤D中算得的相变存储单元在负载电流或者电压后常温下的电阻值判断器件是否实现RESET，该电阻值为低阻态时，未实现RESET，该电阻值为高阻态时，则实现了RESET。
3.根据权利要求1所述一种相变存储器的模拟方法，其特征在于步骤C中根据电热耦合方程计算相变存储单元的电势分布和温度分布时，涉及的材料的热导率取常数，该常数为室温下材料的热导率。
4.根据权利要求1所述一种相变存储器的模拟方法，其特征在于步骤C中根据电热耦合方程计算相变存储单元的电势分布和温度分布时，涉及的材料的热容取常数，该常数为室温下材料的热容。
5.根据权利要求1所述一种相变存储器的模拟方法，其特征在于步骤D中利用有限元计算法根据电热耦合方程计算相变存储单元的电势分布和温度分布，包括以下步骤
a根据准静态电场公式得到相变存储单元的电势分布；
b根据步骤a得到的电势分布以及焦耳热公式计算相变存储单元产生的热量；
c根据步骤b得到的热量以及热传导公式计算相变存储单元的温度分布。
6.根据权利要求1所述一种相变存储器的模拟方法，其特征在于步骤B中的等效熔融态电导率按照以下方法选取首先，对以180nm工艺尺寸制作的相变存储单元进行RI测试，得到RI关系的实验数据；然后，选取不同数值的1041/Ωm量级的值作为相变材料的电导率进行计算，根据步骤C、D中的计算方法求出RI关系曲线，从而找到使求得的RI关系曲线与实验数据吻合最佳的值，作为等效熔融态电导率。
7.根据权利要求1所述一种相变存储器的模拟方法，其特征在于所述的等效熔融态电导率为5×1041/Ωm。
8.根据权利要求1所述一种相变存储器的模拟方法，其特征在于步骤B中的基准电阻按照以下方法选取首先，对以180nm工艺尺寸制作的相变存储单元进行RV测试，得到RV关系的实验数据；然后，选取不同的数值作为相变材料的电导率按照步骤C、D中的计算方法进行计算，从而找到使计算的RV关系曲线与实验数据吻合最佳的数值作为基准数值；以该基准数值作为相变材料的电导率来计算该相变存储单元的电阻，作为基准电阻。
9.根据权利要求1所述一种相变存储器的模拟方法，其特征在于基准电阻为200Ω。
全文摘要
本发明涉及一种相变存储器的模拟方法，包括以下步骤A.根据工艺要求建立相变存储单元的几何模型；B.当相变存储单元负载电流时，相变材料的电导率设定为等效熔融态电导率为1041/Ωm量级的固定值；当负载电压时，相变材料的电导率设定为等效晶态电导率，通过计算而得，式中R为基准电阻；C.利用有限元计算法根据电热耦合方程计算出相变存储单元负载不同电流或电压下的电势分布和温度分布；D.根据相变材料的熔融区域，计算相变存储单元在负载不同电流或者电压下的电阻值，从而得到RI关系曲线或RV关系曲线。本发明通过引入基准电阻，求得不同工艺尺寸下相变材料的等效电导率，能够在不同工艺尺寸下模拟器件的电场和热场及RI和RV的关系。
文档编号G06F17/50GK101763452SQ201010022539
公开日2010年6月30日 申请日期2010年1月7日 优先权日2010年1月7日
发明者龚岳峰, 宋志棠, 凌云, 刘燕, 李宜瑾 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所