CN101976724A - 相变存储器单元的spice模型系统 - Google Patents

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蔡道林
宋志棠
陈后鹏
李喜
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Abstract

本发明提供一种相变存储器单元的SPICE模型系统，其包括：相变电阻模块、温度计算模块、状态存储模块和结晶率计算模块。相变电阻模块主要用于表述相变存储单元的电阻模型，温度计算模块用于计算相变存储单元在电压或电流作用下的温度情况，状态存储模块用于存储相变存储单元Set和Reset状态的变化，结晶率计算模块用于相变存储单元温度变化时的结晶率的变化情况。采用Verilog-A语言进行描述，对相变存储单元可以进行模拟，调节各个参数，可以得到和实际测试结果相吻合的结果，并提供给电路设计者使用。

Description

相变存储器单元的SPICE模型系统
技术领域
本发明涉及一种SPICE模型系统，特别涉及一种相变存储器单元的SPICE模型系统。
背景技术
相变存储器技术是基于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。相变存储器是一种价格便宜、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料，其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少器件材料等。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是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。
相变存储器是最有希望成为下一代非挥发性存储器，对于相变存储器的应用和商业化而言，设计有效的实现电路是十分重要的。电路设计需要一个正确的模型去准确和有效的模拟相变存储器单元的行为。相变存储单元的SPICE模型既要能够正确地反映出相变单元的物理特性，又要考虑其运用在具体电路中时的仿真速度。因此，选择一种合适的建模方法对模型的最终性能起着决定性的作用。在已有的模型当中，阈值电压或阈值电流作为相变存储单元的阈值开关，导致模型结构较为复杂，因此，迫切需要一种更为简化的模型来对相变存储单元进行仿真。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单且有效的相变存储器单元的SPICE模型系统。
为了达到上述目的及其他目的，本发明提供的相变存储器单元的SPICE模型系统，包括：相变电阻模块，用于提供与相变存储单元的结晶状态相关联的相变存储单元电阻的表述方法，以便模拟出随结晶状态的变化而变化的电阻；温度计算模块，用于提供相变存储单元在电压或电流作用下、根据相变存储单元的热导、相变存储单元的加热电极、相变区和散热区的半径、及相变单元的热电容来计算温度的方法，以便当所模拟出的电阻上附加电压或电流时进行温度的计算；状态存储模块，用于提供存储相变存储单元的状态的电路结构，以便根据所计算出的温度来调整所存储的状态；以及结晶率计算模块，用于提供相变存储单元结晶率的计算方法，以便当所计算出的温度高于结晶温度但低于熔化温度时计算结晶率。
综上所述，本发明的相变存储器单元的SPICE模型系统由于采用相变电阻中自有的结晶率Cx作为开关，从而使得这种模型系统更加简洁。
附图说明
图1为本发明的相变存储器单元的SPICE模型系统的结构示意图。
图2为本发明的相变存储器单元的SPICE模型系统的状态存储模块提供的电路结构示意图。
图3为对本发明的相变存储器单元的SPICE模型系统的瞬态模拟结果示意图。
图4为对本发明的相变存储器单元的SPICE模型系统的直流模拟结果示意图。
具体实施方式
请参阅图1，本发明的相变存储器单元的SPICE模型系统包括：相变电阻模块1、温度计算模块2、状态存储模块3、及结晶率计算模块4等。
所述相变电阻模块1用于提供与相变存储单元的结晶状态相关联的相变存储单元电阻的表述方法，以便模拟出随结晶状态的变化而变化的电阻。在本实施例中，采用R＝(1-Cx)Ra+CxRc来表述相变存储单元的电阻，其中，R是相变存储单元的电阻，Ra是相变电阻全为非晶态时的电阻，Rc是相变电阻全为晶态时的电阻，Cx是相变电阻的结晶率，当Cx为0时，相变电阻为非晶态，当Cx为1时，相变电阻为晶态，而Rc和Ra遵循阿纽列斯定律，即Ra＝Roaexp(Ea/KBT)，Rc＝Rocexp(Ec/KBT)，Roa、Roc分别为非晶态和晶态的电阻系数，Ea和Ec分别为非晶态和晶态时的激活能，KB为波尔兹曼常数，T为温度。
所述温度计算模块2用于提供相变存储单元在电压或电流作用下、根据相变存储单元的热导、相变存储单元的加热电极、相变区和散热区的半径、及相变单元的热电容来计算温度的方法，以便当所模拟出的电阻上附加电压或电流时进行温度的计算。例如，可采用
Figure BSA00000232078700031
来计算温度，其中，k为相变存储单元的热导；
r1和r2分别为相变存储单元的加热电极、相变区和散热区的半径；C为相变存储单元的热电容；Wj＝IR×VR，IR和VR分别为流经相变区的电流和电压；t表示时间(更为详细的描述可参见申请号为：201010101396.0的中国专利文献)。
所述状态存储模块3用于提供存储相变存储单元的状态的电路结构，以便根据所计算出的温度来调整所存储的状态。如图2所示，其为所提供的用于存储状态的电路结构示意图，电阻Rs，Rd通过两个压控开关Ss、Sd和电容Cm相连。压控开关Ss和Sd分别由电压Vs和Vd控制。通过计算电阻Rs、Rd对电容Cm的充电和放电电荷来存储状态。当电压Vs为高电位，电压Vd为低电位时，压控开关Ss闭合，压控开关Sd打开，电容Cm充电。反之，当电压Vs为低电位，电压Vd为高电位时，压控开关Ss打开，压控开关Sd闭合，电容Cm放电。当电压Vs和Vd都为低电位时，压控开关Ss和Sd打开，电容Cm保持状态不变。
所述结晶率计算模块4用于提供相变存储单元结晶率的计算方法，以便当所计算出的温度高于结晶温度(即玻璃化温度)Tx但低于熔化温度Tm时计算结晶率，其采用JMAK方程来计算相变存储单元结晶率，即Cx＝1-exp(-(Kt)n)，K＝K0exp(-Ea/KBT)，其中，K0为频率因子；Ea为材料的相变激活能；n为Avrami系数，是一个用来描述材料的成核与晶体生长速度的因子，与材料的本身特性有关，一般取值在1-4之间，T是相变存储单元的温度。
为了验证上述相变存储器单元的SPICE模型系统的有效性，采用了Verilog-A语言进行描述，对相变电阻在被电流加热发生相变时的状态进行模拟。
按照图1，对相变单元加载电信号进行模拟，加载的电流对所述相变电阻模块1所模拟出的电阻进行加热，加热的温度由温度计算模块2来计算，同时这个温度会反馈给相变电阻模块。在这种相互作用下，当温度高于设定的熔化温度Tm时，相变为Reset状态，并且这个状态会由状态存储模块存储，至此此次模拟结束。同理，当温度高于结晶温度Tx但低于熔化温度Tm时，相变单元会发生结晶，结晶率的多少由结晶率计算模块通过JMAK方程来计算，计算的结果同时反馈给相变电阻模块，当结晶率Cx为1时，相变单元相变为Set状态，而且Set状态由状态存储模块存储，同时模拟结束。
采用大小为1mA宽度为30ns和0.5mA宽度为100ns的电流脉冲进行Reset操作模拟，模拟的结果见图3，图3中，曲线A，B，C分别代表电流脉冲、相变存储单元的温度以及相变过程中的结晶率。当电流脉冲A为0.5mA、100ns时，温度曲线B逐渐升温到250℃，结晶率曲线C的结晶率逐渐从0到1，实现了Set操作。当电流脉冲为A为1mA、30ns时，温度曲线B逐渐升温到700℃，结晶率曲线C的结晶率从1突然降到0，实现了Resset操作。
图4为对上述SPICE模型系统的直流模拟结果，曲线A为模拟结果，曲线B为实验结果，由图可见，模拟结果和实验结果有比较好的一致性。
综上所述，本发明的相变存储器单元的SPICE模型系统采用相变电阻中自有的结晶率Cx作为开关，相对于现有采用阈值电压或阈值电流作为相变存储单元的阈值开关的模型系统，其结构更加简洁，而且经过验证，其模型的参数和测试的参数能够吻合。
上述实施例仅列示性说明本发明的原理及功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此项技术的人员均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施例进行修改。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (6)

1.一种相变存储器单元的SPICE模型系统，其特征在于包括：
相变电阻模块，用于提供与相变存储单元的结晶状态相关联的相变存储单元电阻的表述方法，以便模拟出随结晶状态的变化而变化的电阻；
温度计算模块，用于提供相变存储单元在电压或电流作用下、根据相变存储单元的热导、相变存储单元的加热电极、相变区和散热区的半径、及相变单元的热电容来计算温度的方法，以便当所模拟出的电阻上附加电压或电流时进行温度的计算；
状态存储模块，用于提供存储相变存储单元的状态的电路结构，以便根据所计算出的温度来调整所存储的状态；
结晶率计算模块，用于提供相变存储单元结晶率的计算方法，以便当所计算出的温度高于结晶温度但低于熔化温度时计算结晶率。
2.如权利要求1所述的相变存储器单元的SPICE模型系统，其特征在于：所提供的相变存储单元电阻的表述为：R＝(1-Cx)Ra+CxRc，其中，R是相变存储单元的电阻，Ra是相变电阻全为非晶态时的电阻，Rc是相变电阻全为晶态时的电阻，Cx是相变电阻的结晶率，当Cx为0时，相变电阻为非晶态，当Cx为1时，相变电阻为晶态。
3.如权利要求2所述的相变存储器单元的SPICE模型系统，其特征在于：Rc和Ra遵循阿纽列斯定律。
4.如权利要求1所述的相变存储器单元的SPICE模型系统，其特征在于：所提供的计算温度的方法为：
Figure FSA00000232078600011
其中，k为相变存储单元的热导；r1和r2分别为相变存储单元的加热电极、相变区和散热区的半径；C为相变存储单元的热电容；Wj＝IR×VR，IR和VR分别为流经相变区的电流和电压；t表示时间。
5.如权利要求1所述的相变存储器单元的SPICE模型系统，其特征在于：所述状态存储模块提供RC结构的电路来存储相变存储单元的状态。
6.如权利要求1所述的相变存储器单元的SPICE模型系统，其特征在于：结晶率计算模块提供JMAK方程来计算相变存储单元结晶率。
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