CN113268860B - 一种相变存储器件仿真模型 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种相变存储器件仿真模型，包括：相变电阻模块，用于计算当前的所述相变单元的阻值；相变电压电流模块，用于根据所述当前的所述相变单元的阻值、结晶率、熔融率、以及设置的参数由电路仿真器得到所述相变单元的电压和电流；温度计算模块，用于根据所述相变单元的电压和电阻，结合设置的所述相变单元的参数计算所述相变单元的温度；结晶熔融控制模块，用于对所述相变单元的温度进行判断，得到控制指令；结晶率计算模块，用于根据所述控制指令计算结晶率；熔融率计算模块，用于根据所述控制指令计算熔融率；所述结晶率熔融率存储模块用于保存计算得到的结晶率和熔融率。本发明能够更为准确地仿真模拟出相变存储器件在电路中的工作状态。

Description

一种相变存储器件仿真模型
技术领域
本发明涉及微电子领域，特别是涉及一种相变存储器件仿真模型。
背景技术
相变存储器利用硫系化合物在晶态和非晶态表现出的不同的电阻特性来存储“0”和“1”，在新型非易失存储器中，成熟度高，与CMOS工艺兼容，相变机理清晰，材料特性稳定，还具有高速、高集成度、低压、低功耗等优点，在存储级内存(Storage Class Memory)和存内计算(In-Memory Computing)等领域都具有很好的应用前景，被国际半导体工业协会认为是最具有潜力的下一代半导体存储器。
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，相变单元发生熔融，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或阶梯脉冲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。
现有公开专利申请CN101976724A公开了一种相变存储器单元的SPICE模型系统。其存在以下缺点：
1、没有考虑熔融率，在达到熔融温度后即开始往非晶态转变，不符合相变单元的物理特性和操作机理；
2、温度计算模块只有一个公式，在电压电流变为0时，相变单元温度直接为0，没有考虑加热结束的散热过程；
3、没有考虑非晶态的阈值导通现象；
4、没有考虑晶态阻值随电压(温度)的变化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种相变存储器件仿真模型，能够更为准确地仿真模拟出相变存储器件在电路中的工作状态。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种相变存储器件仿真模型，包括：
相变电阻模块，用于根据结晶率熔融率存储模块存储的当前相变单元的结晶率和熔融率计算当前的所述相变单元的阻值；
相变电压电流模块，用于根据所述当前的所述相变单元的阻值、结晶率、熔融率、以及设置的非晶态阈值电压、晶态非线性参数和非晶态非线性参数由电路仿真器得到所述相变单元的电压和电流；
温度计算模块，用于根据所述相变单元的电压和电阻，结合设置的所述相变单元的参数计算所述相变单元的温度；
结晶熔融控制模块，用于对所述相变单元的温度进行判断，得到控制指令；
结晶率计算模块，用于根据所述控制指令和所述结晶率熔融率存储模块存储的当前相变单元的结晶率计算结晶率；
熔融率计算模块，用于根据所述控制指令、所述结晶率熔融率存储模块存储的当前相变单元的熔融率和所述相变单元的温度计算熔融率；
所述结晶率熔融率存储模块用于保存所述结晶率计算模块计算的结晶率和所述熔融率计算模块计算的熔融率。
所述相变电阻模块采用RPCM＝Fc·Rc+Fm·Rc+(1-Fc-Fm)·Ra计算当前的所述相变单元的阻值，其中，RPCM为相变电阻的阻值，Fc为结晶率，Fm为熔融率，Rc为相变单元在完全晶态时的阻值，Ra为相变单元在完全非晶态时的阻值。
所述电路仿真器基于基尔霍夫电压和电流定律得到所述相变单元的电压和电流。
所述温度计算模块采用计算所述相变单元的温度，其中，T为所述相变单元的温度，l为所述相变单元的长度，V是所述相变单元的电压，I是所述相变单元的电流，k为导热系数，r为所述相变单元的底面半径，γ为散热系数，t为瞬态仿真的时间，c表示所述相变单元的单位体积的比热容，Tset为仿真环境设置的环境温度。
所述结晶熔融控制模块在所述相变单元的温度小于结晶温度Tc时，得到的控制指令为保持状态；所述结晶熔融控制模块在所述相变单元的温度大于结晶温度Tc，且小于熔融温度Tm时，得到的控制指令为开始结晶；所述结晶熔融控制模块在所述相变单元的温度大于熔融温度Tm时，得到的控制指令为开始熔融。
所述结晶率计算模块在收到的控制指令为开始结晶时，通过计算结晶率；所述结晶率计算模块在收到的控制指令为开始熔融时，通过Fc＝Fc_T2-(Fm-Fm_T2)·Fc_T2计算结晶率；所述结晶率计算模块在收到的控制指令为保持状态时，结晶率保持不变；其中，Fc为结晶率，Fc_T1为T1时刻的结晶率，T1为所述结晶熔融控制模块输出开始结晶的时刻，t为瞬态仿真的时间，τc为相变材料结晶时间常数,Fc_T2为T2时刻的结晶率,T2为所述结晶熔融控制模块输出开始熔融的时刻，Fm为熔融率，Fm_T2为T2时刻的熔融率。
所述熔融率计算模块在收到的控制指令为开始熔融时，通过计算熔融率；所述熔融率计算模块在收到的控制指令为开始结晶时，通过/>计算熔融率；所述熔融率计算模块在收到的控制指令为保持状态时，通过/>计算熔融率；其中，Fm为熔融率，tempM为相变材料的熔融温度，temp为所述温度计算模块计算的相变单元的温度，δ为熔融温度扩散系数，Fm_T2为T2时刻的熔融率，T2为所述结晶熔融控制模块输出开始熔融的时刻，t为瞬态仿真的时间，τm为相变材料熔融时间常数，Fm_T1为T1时刻的熔融率，T1为所述结晶熔融控制模块输出开始结晶的时刻，τc为相变材料结晶时间常数，Fm_T3为T3时刻的熔融率，T2为所述结晶熔融控制模块输出保持状态的时刻，τa为相变材料非晶化时间常数。
所述相变电压电流模块在当所述相变单元的电压V小于(1-Fc-Fm)×Vth时，相变单元电流当相变单元电压V大于(1-Fc-Fm)×Vth时，相变单元电流/>其中，Fc为结晶率、Fm为熔融率、Vth为完全非晶态的阈值电压，RPCM为所述相变单元的阻值，Voa为非晶态非线性参数，Voc为晶态非线性参数。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明通过结晶率熔融率存储模块、结晶熔融控制模块和熔融率计算模块考虑了熔融率；通过相变单元电压、电流模块考虑了非晶态的阈值导通特性以及晶态阻值随电压(温度)的变化；使得仿真模型能够更为准确地仿真模拟出相变存储器件在电路中的工作状态。电路设计者可以在相变存储器或使用相变存储器件的存内计算等仿真中使用该模型进行验证，进行可行性分析。
附图说明
图1是本发明实施方式的系统框架图；
图2是本发明实施方式的瞬态仿真结果图；
图3是本发明实施方式的直流I-V仿真结果。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种相变存储器件仿真模型，如图1所示，包括：相变电阻模块、相变电压电流模块、温度计算模块、结晶熔融控制模块、结晶率计算模块、熔融率计算模块和结晶率熔融率存储模块。
本实施方式中的相变电阻模块用于根据结晶率熔融率存储模块存储的当前相变单元的结晶率和熔融率计算当前的所述相变单元的阻值。该相变电阻模块可以通过RPCM＝Fc·Rc+Fm·Rc+(1-Fc-Fm)·Ra计算当前的所述相变单元的阻值，其中，RPCM为相变电阻的阻值，Fc为结晶率，Fm为熔融率，Rc为相变单元在完全晶态时的阻值，Ra为相变单元在完全非晶态时的阻值。
用于根据所述当前的所述相变单元的阻值、结晶率、熔融率、以及设置的非晶态阈值电压、晶态非线性参数和非晶态非线性参数由电路仿真器得到所述相变单元的电压和电流。电路仿真器可以基于基尔霍夫电压和电流定律得到所述相变单元的电压和电流。当所述相变单元的电压V小于(1-Fc-Fm)×Vth时，相变单元电流当相变单元电压V大于(1-Fc-Fm)×Vth时，相变单元电流/>其中，Fc为结晶率、Fm为熔融率、Vth为完全非晶态的阈值电压，RPCM为所述相变单元的阻值，Voa为非晶态非线性参数，Voc为晶态非线性参数
温度计算模块用于根据所述相变单元的电压和电阻，结合设置的所述相变单元的参数计算所述相变单元的温度。其可以采用计算所述相变单元的温度，其中，T为所述相变单元的温度，l为所述相变单元的长度，V是所述相变单元的电压，I是所述相变单元的电流，k为导热系数，r为所述相变单元的底面半径，γ为散热系数，t为瞬态仿真的时间，c表示相变单元的单位体积的比热容，Tset为仿真环境设置的环境温度。
结晶熔融控制模块用于对所述相变单元的温度进行判断，得到控制指令。具体的说，所述结晶熔融控制模块在所述相变单元的温度小于结晶温度Tc时，得到的控制指令为保持状态；所述结晶熔融控制模块在所述相变单元的温度大于Tc，且小于熔融温度Tm时，得到的控制指令为开始结晶；所述结晶熔融控制模块在所述相变单元的温度大于熔融温度Tm时，得到的控制指令为开始熔融。
结晶率计算模块用于根据所述控制指令和所述结晶率熔融率存储模块存储的当前相变单元的结晶率计算结晶率。具体的说，所述结晶率计算模块在收到的控制指令为开始结晶时，通过计算结晶率；所述结晶率计算模块在收到的控制指令为开始熔融时，通过Fc＝Fc_T2-(Fm-Fm_T2)·Fc_T2计算结晶率；所述结晶率计算模块在收到的控制指令为保持状态时，结晶率保持不变；其中，Fc为结晶率，Fc_T1为T1时刻的结晶率，T1为所述结晶熔融控制模块输出开始结晶的时刻，t为瞬态仿真的时间，τc为相变材料结晶时间常数,Fc_T2为T2时刻的结晶率,T2为所述结晶熔融控制模块输出开始熔融的时刻，Fm为熔融率，Fm_T2为T2时刻的熔融率。
熔融率计算模块用于根据所述控制指令、所述结晶率熔融率存储模块存储的当前相变单元的熔融率和所述相变单元的温度计算熔融率。具体的说，所述熔融率计算模块在收到的控制指令为开始熔融时，通过计算熔融率；所述熔融率计算模块在收到的控制指令为开始结晶时，通过/>计算熔融率；所述熔融率计算模块在收到的控制指令为保持状态时，通过/>计算熔融率；其中，Fm为熔融率，tempM为相变材料的熔融温度，temp为所述温度计算模块计算的相变单元的温度，δ为熔融温度扩散系数，Fm_T2为T2时刻的熔融率，T2为所述结晶熔融控制模块输出开始熔融的时刻，t为瞬态仿真时间，τm为相变材料熔融时间常数，Fm_T1为T1时刻的熔融率，T1为所述结晶熔融控制模块输出开始结晶的时刻，τc为相变材料结晶时间常数，Fm_T3为T3时刻的熔融率，T2为所述结晶熔融控制模块输出保持状态的时刻，τa为相变材料非晶化时间常数。
所述结晶率熔融率存储模块用于保存所述结晶率计算模块计算的结晶率和所述熔融率计算模块计算的熔融率，用以提供给相变电阻模块计算相变单元电阻，提供给结晶率计算模块和熔融率计算模块用于在此前结晶率和熔融率基础上进行结晶率和熔融率的计算，保证结晶率和熔融率变化的连续性；另外其还接受从外部输入设置结晶率的初始状态。
图2是本发明实施方式的瞬态仿真结果图，从图中能够看出，由于本实施方式的仿真模型考虑了熔融率，非晶态的阈值导通特性以及晶态阻值随电压(温度)的变化；因此更符合相变单元的物理特性。图3是本发明实施方式的直流I-V仿真结果，该仿真结果也与相变单元实验结果具有较高的一致性。
不难发现，本发明通过结晶率熔融率存储模块、结晶熔融控制模块和熔融率计算模块考虑了熔融率；通过相变单元电压、电流模块考虑了非晶态的阈值导通特性以及晶态阻值随电压(温度)的变化；使得仿真模型能够更为准确地仿真模拟出相变存储器件在电路中的工作状态。电路设计者可以在相变存储器或使用相变存储器件的存内计算等仿真中使用该模型进行验证，进行可行性分析。

Claims (7)

1.一种相变存储器件仿真模型，其特征在于，包括：
相变电阻模块，用于根据结晶率熔融率存储模块存储的当前相变单元的结晶率和熔融率计算当前的所述相变单元的阻值；
相变电压电流模块，用于根据所述当前的所述相变单元的阻值、结晶率、熔融率、以及设置的非晶态阈值电压、晶态非线性参数和非晶态非线性参数由电路仿真器得到所述相变单元的电压和电流；
温度计算模块，用于根据所述相变单元的电压和电阻，结合设置的所述相变单元的参数计算所述相变单元的温度；所述温度计算模块采用计算所述相变单元的温度，其中，T为所述相变单元的温度，l为所述相变单元的长度，V是所述相变单元的电压，I是所述相变单元的电流，k为导热系数，r为所述相变单元的底面半径，γ为散热系数，t为瞬态仿真的时间，c表示所述相变单元的单位体积的比热容，Tset为仿真环境设置的环境温度；
结晶熔融控制模块，用于对所述相变单元的温度进行判断，得到控制指令；
结晶率计算模块，用于根据所述控制指令和所述结晶率熔融率存储模块存储的当前相变单元的结晶率计算结晶率；
熔融率计算模块，用于根据所述控制指令、所述结晶率熔融率存储模块存储的当前相变单元的熔融率和所述相变单元的温度计算熔融率；
所述结晶率熔融率存储模块用于保存所述结晶率计算模块计算的结晶率和所述熔融率计算模块计算的熔融率。
2.根据权利要求1所述的相变存储器件仿真模型，其特征在于，所述相变电阻模块采用RPCM＝Fc·Rc+Fm·Rc+(1-Fc-Fm)·Ra计算当前的所述相变单元的阻值，其中，RPCM为相变电阻的阻值，Fc为结晶率，Fm为熔融率，Rc为相变单元在完全晶态时的阻值，Ra为相变单元在完全非晶态时的阻值。
3.根据权利要求1所述的相变存储器件仿真模型，其特征在于，所述电路仿真器基于基尔霍夫电压和电流定律得到所述相变单元的电压和电流。
4.根据权利要求1所述的相变存储器件仿真模型，其特征在于，所述结晶熔融控制模块在所述相变单元的温度小于结晶温度Tc时，得到的控制指令为保持状态；所述结晶熔融控制模块在所述相变单元的温度大于结晶温度Tc，且小于熔融温度Tm时，得到的控制指令为开始结晶；所述结晶熔融控制模块在所述相变单元的温度大于熔融温度Tm时，得到的控制指令为开始熔融。
5.根据权利要求1所述的相变存储器件仿真模型，其特征在于，所述结晶率计算模块在收到的控制指令为开始结晶时，通过计算结晶率；所述结晶率计算模块在收到的控制指令为开始熔融时，通过Fc＝Fc_T2-(Fm-Fm_T2)·Fc_T2计算结晶率；所述结晶率计算模块在收到的控制指令为保持状态时，结晶率保持不变；其中，Fc为结晶率，Fc_T1为T1时刻的结晶率，T1为所述结晶熔融控制模块输出开始结晶的时刻，t为瞬态仿真的时间，τc为相变材料结晶时间常数,Fc_T2为T2时刻的结晶率,T2为所述结晶熔融控制模块输出开始熔融的时刻，Fm为熔融率，Fm_T2为T2时刻的熔融率。
6.根据权利要求1所述的相变存储器件仿真模型，其特征在于，所述熔融率计算模块在收到的控制指令为开始熔融时，通过计算熔融率；所述熔融率计算模块在收到的控制指令为开始结晶时，通过/>计算熔融率；所述熔融率计算模块在收到的控制指令为保持状态时，通过/>计算熔融率；其中，Fm为熔融率，tempM为相变材料的熔融温度，temp为所述温度计算模块计算的相变单元的温度，δ为熔融温度扩散系数，Fm_T2为T2时刻的熔融率，T2为所述结晶熔融控制模块输出开始熔融的时刻，t为瞬态仿真的时间，τm为相变材料熔融时间常数，Fm_T1为T1时刻的熔融率，T1为所述结晶熔融控制模块输出开始结晶的时刻，τc为相变材料结晶时间常数，Fm_T3为T3时刻的熔融率，T2为所述结晶熔融控制模块输出保持状态的时刻，τa为相变材料非晶化时间常数。
7.根据权利要求1所述的相变存储器件仿真模型，其特征在于，所述相变电压电流模块在当所述相变单元的电压V小于(1-Fc-Fm)×Vth时，相变单元电流当相变单元电压V大于(1-Fc-Fm)×Vth时，相变单元电流/>其中，Fc为结晶率、Fm为熔融率、Vth为完全非晶态的阈值电压，RPCM为所述相变单元的阻值，Voa为非晶态非线性参数，Voc为晶态非线性参数。
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