论文摘要
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%。
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摘要Abstract第1章 绪论1.1 引言1.2 相变存储器概述1.2.1 相变存储的机理1.2.2 相变存储的主要工作特性1.3 低功耗PCM 的主要研究方向1.3.1 相变材料方面的研究1.3.2 器件结构方面的研究1.4 多位存储PCM 的研究现状1.4.1 具有多态存储特性的相变材料1.4.2 利用层叠结构实现多态存储1.5 本论文的研究意义和内容1.5.1 本论文的研究意义1.5.2 本论文的主要内容第2章 相变存储器件的ANSYS 有限元分析方法2.1 有限元分析方法与传热学基本原理2.1.1 有限元分析方法概述2.1.2 传热学基础2.2 相变存储器件的ANSYS 有限元分析方法2.2.1 相变存储器件热电耦合场分析的理论基础2.2.2 ANSYS 有限元分析方法2.3 本章小结第3章 材料热电特性对相变存储器功耗的影响研究3.1 相变材料热电性能的影响3.1.1 相变材料动态热导率对有限元分析结果准确性的影响3.1.2 相变材料晶态电阻率的影响3.2 加热电极材料电阻率的影响3.3 加绝热材料层对温度分布的影响3.4 本章小结第4章 PCM 基本单元结构尺寸低功耗优化及界面热阻对功耗的影响4.1 PCM 基本单元结构尺寸低功耗优化4.1.1 小电极优化4.1.2 结构尺寸的优化4.2 界面热阻对功耗的影响4.3 本章小结第5章 层叠结构多态PCM 建模仿真与低功耗优化5.1 层叠结构的建立5.2 层叠结构 PCM 的 ANSYS 有限元仿真结果5.3 引入低功耗优化后的结果5.4 本章小结第6章 总结参考文献附录: 层叠结构多态 PCM ANSYS 有限元分析代码攻读学位期间发表论文致谢
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