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(jì)60年代末70年代初提出的相變薄膜可以應(yīng)用于 相變存儲介質(zhì)的構(gòu)想建立起來的。相變存儲器是一種價(jià)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(diǎn)也就圍繞其器件工藝展開。器件的物理機(jī)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(shí)的高阻與多晶態(tài)時(shí)的低阻實(shí)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(qiáng)震動和抗輻射等優(yōu)點(diǎn)，被國際半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會認(rèn)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(dāng)加一個(gè)短且強(qiáng)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(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)長且中等強(qiáng)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(shí)間促使晶核生長，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(jì)有效的實(shí)現(xiàn)電路是十分重要的。電路設(shè)計(jì)需要一個(gè)正確的模型去準(zhǔn)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(yùn)用在具體電路中時(shí)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(dāng)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(jìn)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(dá)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(jì)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(jì)算溫度的方法，以便當(dāng)所模擬出的電阻上附加 電壓或電流時(shí)進(jìn)行溫度的計(jì)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(jì)算出的溫度來調(diào)整所存儲的狀態(tài)；以及結(jié)晶率計(jì)算模塊，用于提供相變 存儲單元結(jié)晶率的計(jì)算方法，以便當(dāng)所計(jì)算出的溫度高于結(jié)晶溫度但低于熔化溫度時(shí)計(jì)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(shí)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(jì)算模塊2、狀態(tài)存儲模塊3、及結(jié)晶率計(jì)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(shí)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(shí)的電阻，Rc是相變電阻全為晶態(tài)時(shí)的電阻，Cx是相變電阻的結(jié)晶率，當(dāng)Cx為0 時(shí)，相變電阻為非晶態(tài)，當(dāng)Cx為1時(shí)，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(shí)的激活能，Kb為波爾茲曼常數(shù)，T為溫度。所述溫度計(jì)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(jì) 算溫度的方法，以便當(dāng)所模擬出的電阻上附加電壓或電流時(shí)進(jìn)行溫度的計(jì)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(jì)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(jì)算溫度的方法，以便當(dāng)所模擬出的電阻上附加電壓或電流時(shí)進(jìn)行溫度的計(jì)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(jì)算出的溫度來調(diào)整所存儲的狀態(tài)；結(jié)晶率計(jì)算模塊，用于提供相變存儲單元結(jié)晶率的計(jì)算方法，以便當(dāng)所計(jì)算出的溫度高于結(jié)晶溫度但低于熔化溫度時(shí)計(jì)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(shí)的電阻，R。是相變電阻全為晶態(tài)時(shí)的電阻，Cx是相變電阻的結(jié)晶率，當(dāng)(；為 0時(shí)，相變電阻為非晶態(tài)，當(dāng)Cx為1時(shí)，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(jì)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(jì)算 模塊提供JMAK方程來計(jì)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(jì)算模塊、狀態(tài)存儲模塊和結(jié)晶率計(jì)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(jì)算模塊用于計(jì)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(jì)算模塊用于相變存儲單元溫度變化時(shí)的結(jié)晶率的變化情況。采用Verilog-A語言進(jìn)行描述，對相變存儲單元可以進(jìn)行模擬，調(diào)節(jié)各個(gè)參數(shù)，可以得到和實(shí)際測試結(jié)果相吻合的結(jié)果，并提供給電路設(shè)計(jì)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(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所