相变存储器低功耗优化研究及其在多态存储中的应用

摘要

相变存储器（PCM）利用的是材料晶态时低阻与非晶态的高阻特性来实现逻辑存储的一种技术，是最有可能在45nm以下技术代取代SRAM、DRAM和Flash等当今主流产品而成为未来商用主流非易失存储器件，必将在未来的存储器市场占有相当重要的地位。由于高低阻态的巨大差距，PCM的多态存储能力得到了越来越多的重视。功耗的降低与存储容量的增加是存储器研究永恒的主题，本论文在前人研究的基础上，使用ANSYS有限元分析软件对多种降低PCM功耗的方法进行了研究，提出了一种多态存储的层叠结构，并且对其实现了低功耗优化。本文首先建立了相变存储器存储单元的有限元分析模型，对相变材料以及加热电极热电参数对加热效率、功耗的影响进行了研究。模拟研究表明：引入了随温度变化的相变层热导率，能更精确地模拟器件温度场；加热电极电阻率与相变层电阻率越大，加热效率越高，功耗越低；但为了使加热效率更集中在相变材料层中，加热电极电阻率不能大于相变层电阻率。其中，在相变材料设计选择方面，具有较高电阻率的Si2Sb2Te5较传统的Ge2Sb2Te5更适合应用于低功耗相变存储器的应用；而在底部加热电极的选择上，具有较高电阻率和低热导率的TiN较TiW、W或Ti等电极相比，在低功耗方面更具优势。研究表明50nm大小的电极能在编程电流较小的同时不引起SET电阻的急剧升高，而器件结构尺寸在恒定SET电阻下存在一组达到最小编程电流的取值，其值为各种因素平衡的结果。界面热阻对器件功耗的影响非常明显，界面热阻越高，编程电流越小，功耗越小。本文提出的层叠结构PCM在ANSYS模拟中实现了2bit存储，经过前面所有方法的低功耗优化后，编程电流减小了30％。