文档介绍：华中科技大学
硕士学位论文
相变随机存储器的三维热模拟与结构设计
姓名:孙巾杰
申请学位级别:硕士
专业:微电子学与固体电子学
指导教师:缪向水
2011-01-18
华中科技大学硕士学位论文
摘要
相变随机存储器的优越性能使得它成为极具潜力的下一代新型非易失性存储器。
相变随机存储器的存储功能,是通过施加不同的电脉冲产生热量,使得具有低阻的晶
态和高阻的非晶态两个状态的相变材料在两态之间转换而实现的。因此,研究相变随
机存储器的电热效应是十分必要的,尤其当特征尺寸逐渐减小时。
本文基于有限元分析原理,利用有限元分析软件 ANSYS 建立了相变随机存储器
单元三维模型,并对其进行了一系列参数改变下的电热模拟。改变一种特征尺寸下的
T 型结构相变存储单元的一些材料参数(包括相变材料、电极材料、隔离层材料的热
导率和相变材料的电阻率),得到了一些规律并进行了分析;模拟存储单元的特征尺
寸大小对温度分布的影响;然后以特征尺寸 100nm 的相变单元为基准等比例缩小相变
存储单元,得到不同特征尺寸下(45nm,32nm,22nm,16nm 和 10nm)关键结构参
数(相变层厚度,隔离层厚度等)对温度分布的影响。
Reset 电流过大一直是制约相变随机存储器发展的原因之一。本文提出了一种新
型的非对称结构。经过三维电热仿真验证,与 T 型结构相比,该结构能够提高相变单
元内的电流密度,减少温度耗散,因此能够降低 Reset 电流。然后对不同特征尺寸下
(45nm,32nm,22nm,16nm 和 10nm)该结构的一些关键参数(相变层厚度、偏移
量)做了一系列仿真,观察它们对非对称结构相变单元温度分布的影响,找出更能发
挥非对称结构优势的结构参数。此外,比较了同等条件下 T 型结构和非对称结构相变
单元的差别,找出非对称结构优于 T 型结构的原因,并发现等比例缩小时,非对称结
构低功耗优越性更加明显,这对于高密度存储有着重要的意义。

关键词:相变随机存储器;三维;有限元分析;电热;ANSYS;T 型结构;
非对称结构
I
华中科技大学硕士学位论文
Abstract
Phase change random access memory (PCRAM) has a lot of advantages which
makes PCRAM to be one of the most promising candidate for the next generation
non-volatile memory.
PCRAM writes/erases data by thermal energy generated from an electrical pulse,
which induces phase transition between conductive crystalline and resistive amorphous
states of phase change material. Therefore, it is essential to have a good understand of the
thermal properties. Especially, the thermal influence is very critical when the feature size is
scaling down.
Based on the finite element method, this thesis built the finite element model of
PCRAM cell by using mercial software ANSYS and had a series of simulations
under different conditions. The thermal properties of PCRAM cell on material
parameters(including thermal conductivity of phase change material, electrode material and
insulator material; electrical resistivity of phase change material) of T-type PCRAM cell
with fixed feature size were simulated and the results were analyzed. T