一种相变存储器的电热分析方法及系统与流程

1.本发明属于微电子器件及存储技术领域，更具体地，涉及一种相变存储器的电热分析方法及系统。


背景技术：

2.人类活动离不开信息的传递与存储，目前存储器的存储容量越来越高。传统的dram具有擦写速度快、使用寿命长、易失等特点，flash具有低成本、非易失、擦写速度慢等特点。用户希望存储器同时具有dram的高速度、高寿命和flash的低成本、非易失的优点，于是提出相变存储器这一概念。相变存储器被认为是最有可能取代dram和flash的下一代非易失性存储设备之一，其具有存储速度快、可靠性高、使用寿命长等特点。
3.相变存储器是一种基于相变材料(一种或多种硫系化合物)的非易失性存储器，其主要是利用电流的焦耳热使材料在晶态和非晶态之间的转变来实现存储。在相变存储器中，相变材料是关键，这种材料在非晶态时阻值较高，在晶态时阻值较低，我们利用这种高低阻值的差异来实现“0”和“1”的信息存储。对晶态材料施加一个幅度大且持续时间短的电脉冲，由于幅度大能量高，材料能够很快达到熔化温度，失去晶态结构，但因为持续时间短又经过一个快速冷却的过程，原子还来不及重新排列，所以实现了材料从晶态到非晶态的转变；对非晶态材料施加一个幅度中等且持续时间较长的电脉冲，这个脉冲的能量能够让材料达到结晶温度而又低于熔化温度，在脉冲的持续时间内，原子能够重新排列结晶，实现材料从非晶态到晶态的转变。
4.在相变存储器设计中，通常需要使用有限元分析方法对其电热过程进行仿真。实际的器件三维模型是连续的，似乎不可能对其进行分析，但是如果将它们划分为有限的单元，就能轻而易举地对其进行电热过程中的温度场进行分析。这种方法即为有限元分析。有限元分析的优势在于其在简单几何的单元域上定义函数，并且忽略较为复杂的边界条件。常见的有限元分析软件有comsol multiphysic、ansys、fepg等。其中，comsol是一款多物理场耦合分析工具，通过求解偏微分方程来解释很多物理现象，其范围涵盖热传导、流体流动、电磁场甚至结构力学等等。comsol凭借其出色的多物理场双向直接耦合分析的能力以及高速有效的计算能力被广泛应用于各个领域的仿真模拟。
5.以comsol软件为例，有限元分析软件分析问题的步骤如下：首先，需要搭建几何模型。然后，设置材料参数。再进行物理场设置，即设置边界条件。边界条件包括基本的热学方程、电流连续性方程以及电流守恒方程。计算前需要进行网格划分，确定计算精度。最后求解并进行数据处理，分析结果。在参数设置过程中最重要的是相变材料电导率和导热系数的设置。目前对相变材料及相变存储器件的有限元电热仿真，只局限于本征的未掺杂硫系化合物材料，因为掺杂之后相变材料的电导率和导热系数等电热参数不可避免地会发生变化，而且随着掺杂浓度和掺杂物质的不同，这些电热参数也会随之改变，最终将影响电热过程温度场的仿真结果。为了得到较精确的仿真结果，就必须对掺杂后的相变材料的电热参数进行实验测量，然而薄膜的电热参数测量技术到目前为止还很不完善，需要较为复杂的
工艺流程以及测试流程，且测试样片的制备工艺对掺杂材料参数的测试准确度影响很大，很难获得可靠的掺杂后的硫系化合物薄膜的电热参数，因此目前对于相变材料及相变存储器件的有限元电热仿真仅仅限于未掺杂相变材料。
6.另一方面，掺杂是改善相变存储材料及器件性能的有效方法，因此开发一种适用于掺杂相变材料及其存储器件的有限元电热分析方法，对于掺杂相变材料及器件的设计与分析具有重要意义。


技术实现要素：

7.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种相变存储器的电热分析方法及系统，旨在解决目前对于相变存储器件的有限元电热仿真仅仅限于未掺杂的相变材料，化合物掺杂相变材料的电热参数较难获得，因此现有化合物掺杂相变存储器无法进行有限元电热仿真的问题。
8.为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种相变存储器的电热分析方法，所述相变存储器包括：上电极、相变层、绝缘绝热层以及下电极，所述上电极置于相变层的上表面，下电极置于相变层的下表面，绝缘绝热层置于相变层的两侧；其特征在于，所述相变层包括相变材料和掺杂材料，所述相变层升温过程中相变材料和掺杂材料相互独立，分别结晶，且掺杂材料与相变材料不发生化学反应；所述电热分析方法包括如下步骤：
9.将所述相变层等比例划分为相同体积的多个子区域；
10.确定所述掺杂材料的掺杂比例，并按照所述掺杂比例计算掺杂材料所占的子区域数量；
11.根据所计算的子区域数量随机选取相应数量的子区域填充掺杂材料，剩余子区域填充相变材料；
12.确定掺杂材料、相变材料、上电极、下电极以及绝缘绝热层的电热参数；
13.确定相变存储器的边界条件和电流参数；所述边界条件为热边界条件，所述电流参数为reset电流脉冲或set电流脉冲；
14.结合上述电热参数、电流参数以及边界条件对所述相变存储器进行热仿真分析，确定所述相变存储器接收reset电流脉冲或set电流脉冲后其内部的温度场分布情况，以进一步根据所述温度场分布情况分析所述相变存储器内部的相变区域和功耗；当相变存储器接收reset电流脉冲时，所述功耗为reset功耗，当相变存储器接收set电流脉冲时，所述功耗为set功耗。
15.在一个可选的示例中，将相变层等比例划分为相同体积的多个子区域，具体为：
16.将相变层进行空间划分，得到多个体积相等的子区域。
17.在一个可选的示例中，所述子区域的数量越多，所述相变存储器的电热分析结果越精准。
18.在一个可选的示例中，所述电热参数包括：材料密度、电导率以及热导率。
19.在一个可选的示例中，所述相变材料为sb单质、ge-te二元化合物、ge-sb二元化合物、sb-te二元化合物、bi-te二元化合物、in-se二元化合物、ge-sb-te三元化合物、ge-bi-te三元化合物以及ge-sb-bi-te四元化合物中的任意一种。
20.在一个可选的示例中，所述掺杂材料为相变层升温过程中结构稳定且不与相变材
料发生化学反应的化合物。
21.第二方面，本发明提供了一种相变存储器的电热分析系统，所述相变存储器包括：上电极、相变层、绝缘绝热层以及下电极，所述上电极置于相变层的上表面，下电极置于相变层的下表面，绝缘绝热层置于相变层的两侧；其特征在于，所述相变层包括相变材料和掺杂材料，所述相变层升温过程中相变材料和掺杂材料相互独立，分别结晶，且掺杂材料与相变材料不发生化学反应；所述电热分析系统包括：
22.相变层划分单元，用于将所述相变层等比例划分为相同体积的多个子区域；
23.相变层填充单元，用于确定所述掺杂材料的掺杂比例，并按照所述掺杂比例计算掺杂材料所占的子区域数量；以及根据所计算的子区域数量随机选取相应数量的子区域填充掺杂材料，剩余子区域填充相变材料；
24.参数确定单元，用于确定掺杂材料、相变材料、上电极、下电极以及绝缘绝热层的电热参数；以及确定相变存储器的边界条件和电流参数；所述边界条件为热边界条件，所述电流参数为reset电流脉冲或set电流脉冲；
25.电热分析单元，用于结合上述电热参数、电流参数以及边界条件对所述相变存储器进行热仿真分析，确定所述相变存储器接收reset电流脉冲或set电流脉冲后其内部的温度场分布情况，以进一步根据所述温度场分布情况分析所述相变存储器内部的相变区域和功耗；当相变存储器接收reset电流脉冲时，所述功耗为reset功耗，当相变存储器接收set电流脉冲时，所述功耗为set功耗。
26.在一个可选的示例中，所述相变层划分单元将相变层等比例划分为相同体积的多个子区域，具体为：将相变层进行空间划分，得到多个体积相等的子区域。
27.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
28.本发明提供一种相变存储器的电热分析方法及系统，本发明中的化合物掺杂相变材料，要求化合物在相变过程中结构稳定，既不发生分解，也不会熔化，也不与相变材料中的任何一种硫系元素发生化学反应。对比直接使用化合物掺杂相变材料整体薄膜的电热参数进行电热分析的方法，本发明的电热分析方法简化了电热参数的获取过程，只需分别获得掺杂材料和相变材料各自的电热参数。掺杂材料和相变材料的电热参数通过翻阅文献或相关材料手册即可获得。
29.本发明提供一种相变存储器的电热分析方法及系统，对比直接使用化合物掺杂相变材料整体薄膜的电热参数进行电热分析的方法，本发明的电热分析方法可以更直接地观测相变区域面积、reset/set功耗。
30.本发明提供一种相变存储器的电热分析方法及系统，对比直接使用化合物掺杂相变材料整体薄膜的电热参数进行电热分析的方法，本发明的电热分析方法不受工艺以及测试技术的影响，并且划分方格数量越多，温度场仿真计算的准确性越高。
附图说明
31.图1为本发明实施例提供的相变存储器电热分析方法流程图；
32.图2为本发明实施例提供的化合物掺杂相变材料的电热分析方法的实现流程图；
33.图3为本发明实施例1使用的相变存储单元模型示范性结构剖视图；
34.图4为本发明实施例2使用的(tite2)
0.1
(sb2te3)
0.9
相变存储单元二维模型图；
35.图5为本发明实施例2中(tite2)
0.1
(sb2te3)
0.9
相变存储单元热仿真结果的温度场分布图；
36.图6为本发明实施例3使用的(tite2)
0.4
(sb2te3)
0.6
相变存储单元二维模型；
37.图7为本发明实施例3中(tite2)
0.4
(sb2te3)
0.6
相变存储单元热仿真结果的温度场分布图；
38.图8为本发明对比例使用的sb2te3相变存储单元二维模型；
39.图9为本发明对比例中sb2te3相变存储单元热仿真结果的温度场分布图；
40.图10为本发明实施例提供的相变存储器电热分析系统架构图。
具体实施方式
41.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
42.针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种化合物掺杂相变材料的电热分析方法，旨在解决化合物掺杂相变材料电热参数较难获得的问题。本发明中的化合物掺杂相变材料，要求化合物在相变过程中结构稳定，既不发生分解，也不会熔化，也不与相变材料中的任何一种硫系元素发生化学反应。
43.在此条件下，为实现上述目的，本发明提供了一种化合物掺杂相变材料的电热分析方法：将相变层等比例划分为相同面积的小方块；按照化合物掺杂比例分别确定掺杂材料和相变材料所占小方块个数；分别设置掺杂材料和相变材料的电热参数；在相变层填充掺杂材料和相变材料；设置上、下电极及绝缘绝热材料的电热参数；设置边界条件及电流参数；热仿真及分析。
44.本发明提供的电热分析方法无须获得化合物掺杂相变材料的电热参数，只需分别找到掺杂材料和相变材料各自的电热参数即可。
45.本发明提供的电热分析方法可以直观地显示相变区域面积。
46.本发明提供的电热分析方法的热仿真温度场分布结果有利于预测及分析相变存储单元的reset/set功耗。
47.本发明提供的电热分析方法划分方格数量越多，计算结果越精细。
48.更进一步地，本发明搭建的相变存储单元，具体结构包括下电极、相变材料层、上电极，相变材料周围填充绝缘绝热材料以实现水平方向上单元间的电热隔离。
49.更进一步地，相变材料为sb单质、ge-te二元化合物、ge-sb二元化合物、sb-te二元化合物、bi-te二元化合物、in-se二元化合物、ge-sb-te三元化合物、ge-bi-te三元化合物、ge-sb-bi-te四元化合物中的任意一种。
50.更进一步地，掺杂材料为升温过程中结构稳定且不与相变材料中的元素发生化学反应的化合物。
51.更进一步地，绝缘绝热材料具有较低的热导率，绝缘绝热材料为氧化硅、氮化硅、氧化铝、氮化铝、氧化锌、氧化钨、氧化钛、氮化硼和碳化硅中的任意一种。
52.更进一步地，上电极和下电极的材料包括金属单质au、ta、pt、al、w、ti、cu、ir及其
金属合金和金属化合物，如tiw，tin。
53.本发明使用comsol multiphysic软件对相变存储单元进行reset/set过程热仿真。热仿真结果的温度分布图有利于分析相变存储单元的reset/set功耗。相同的reset/set电流脉冲下，相变存储单元内部温度最大值越大，完成reset/set操作所需要的功耗越小。
54.图1为本发明实施例提供的相变存储器电热分析方法流程图；相变存储器包括：上电极、相变层、绝缘绝热层以及下电极，上电极置于相变层的上表面，下电极置于相变层的下表面，绝缘绝热层置于相变层的两侧；其特征在于，所述相变层包括相变材料和掺杂材料，相变层升温过程中相变材料和掺杂材料相互独立，分别结晶，且掺杂材料与相变材料不发生化学反应；如图1所示，该电热分析方法包括如下步骤：
55.s101，将所述相变层等比例划分为相同体积的多个子区域；
56.s102，确定所述掺杂材料的掺杂比例，并按照所述掺杂比例计算掺杂材料所占的子区域数量；
57.s103，根据所计算的子区域数量随机选取相应数量的子区域填充掺杂材料，剩余子区域填充相变材料；
58.s104，确定掺杂材料、相变材料、上电极、下电极以及绝缘绝热层的电热参数；
59.s105，确定相变存储器的边界条件和电流参数；所述边界条件为热边界条件，所述电流参数为reset电流脉冲或set电流脉冲；
60.s106，结合上述电热参数、电流参数以及边界条件对所述相变存储器进行有限元热仿真分析，确定所述相变存储器接收reset电流脉冲或set电流脉冲后其内部的温度场分布情况，以进一步根据所述温度场分布情况分析所述相变存储器内部的相变区域和功耗；当相变存储器接收reset电流脉冲时，所述功耗为reset功耗，当相变存储器接收set电流脉冲时，所述功耗为set功耗。
61.具体地，本发明选择的化合物材料为tite2，相变材料为sb2te3。sb2te3是以生长主导结晶的相变材料，set速度较快，但晶化温度较低，非晶稳定性较差。通过掺杂可以有效提升其非晶稳定性。tite2常温及高温下性能稳定，导电性能良好，热导率低，有利于减少热量散失。晶化过程中，掺杂tite2的sb2te3相变材料中tite2和sb2te3分别结晶，相互独立，tite2中的元素不和sb2te3中的元素发生化学反应。
62.图2示出了本发明实施例提供的化合物掺杂相变材料的电热分析方法的实现流程，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：
63.(1)将相变材料层等比例划分为相同面积的小方块；具体地，将相变材料层进行横向以及纵向的层划分，分割成一定数量的小方格。其中，小方格划分数量越多，仿真结果越精确。
64.需要说明的是，各个区域的形状可以不一定是小方格，只要是各个子区域体积相同即可。
65.(2)按照化合物掺杂比例分别计算掺杂材料和相变材料所占小方块个数；具体地，通过eds等测试方法对化合物掺杂相变材料进行成分分析，得出掺杂比例。将小方格总数与掺杂比例相乘，得到掺杂材料所占小方块个数，其余为相变材料。
66.(3)分别设置掺杂材料和相变材料的电热参数；具体地，包括材料密度、电导率、热
材料，白色方格为sb2te3材料，黑色方格为tite2材料。从图4中可以明显看出，(tite2)
0.1
(sb2te3)
0.9
相变层中tite2面积占10％，sb2te3面积占90％，相变材料区域面积占总面积的比值为90％。
84.表1为本实施例所使用的材料参数。本实施例中所选材料的导热系数随温度变化不大，所以将导热系数设置为常数。
85.表1材料物理性质参数
[0086][0087]
本实施例进行的热仿真以热传导为主，所以选择固体传热接口。将电流设置成自下而上的流向，在下电极施加reset脉冲，把上电极的电压值设置为0。其中，施加的reset脉冲为电流脉冲，幅值为100μa，脉宽为50ns，上升沿、下降沿都为8ns。本实施例采用对流热通量作为热边界条件。
[0088]
预处理完成后，求解得出reset后相变存储单元内部温度分布图，如图5所示。结果显示，(tite2)
0.1
(sb2te3)
0.9
相变存储单元最高温度可达617k。
[0089]
实施例3：
[0090]
本实施例建立的仿真模型与实施例2只有相变材料层不同，其余参数皆相同。本实施例采用的相变材料层为(tite2)
0.4
(sb2te3)
0.6
。建模时将相变材料层进行横向以及纵向的层划分，分割成190个小方格。按照tite2的掺杂比例，将同等比例小方格设置成tite2材料，其余小方格设置成sb2te3材料。由于掺杂40％的tite2，所以随机取76个白色方格填充为tite2材料，并将颜色设置为黑色。其余114个白色方格填充为sb2te3材料，颜色不变。如图6所示，深灰色为pt材料，浅灰色为sio2材料，白色方格为sb2te3材料，黑色方格为tite2材料。从图6中可以明显看出，(tite2)
0.4
(sb2te3)
0.6
相变层中tite2面积占40％，sb2te3面积占60％，相变材料区域面积占总面积的比值为60％。
[0091]
本实施例的材料参数、reset电流参数以及热边界条件皆与实施例2相同。预处理完成后，求解得出reset后相变存储单元内部温度分布图，如图7所示。结果显示，(tite2)
0.4
(sb2te3)
0.6
相变存储单元最高温度可达803k。
[0092]
对比例：
[0093]
本实施例为实施例2、3的对比例，建立的仿真模型与实施例2、3只有相变材料层不同，其余参数皆相同。本实施例采用的相变材料层为纯sb2te3。建模时将相变材料层进行横向以及纵向的层划分，分割成190个小方格。将每个小方格都填充为sb2te3材料。如图8所示，黑色为pt材料，灰色为sio2材料，白色方格为sb2te3材料。从图8中可以明显看出，相变材料区域面积占总面积的比值为100％。
[0094]
本实施例的材料参数、reset电流参数以及热边界条件皆与实施例2、3相同。预处理完成后，求解得出reset后相变存储单元内部温度分布图，如图9所示。结果显示，sb2te3相
变存储单元最高温度可达447k。
[0095]
通过对tite2掺杂sb2te3以及纯sb2te3相变存储单元进行comsol热仿真，得出表2的对比数据。表2可以直观地体现tite2掺杂sb2te3相变存储单元随tite2掺杂浓度升高其reset功耗降低的趋势。
[0096]
表2 tite2掺杂sb2te3以及纯sb2te3相变存储单元热仿真结果对比
[0097][0098][0099]
可以理解的是，将上述仿真过程中的电流脉冲参数设置为set电流脉冲，并设置各材料对应的参数，则可仿真分析相变存储器在set电流脉冲下的温度场分布、相变区域以及对应的set功耗，为简化说明，不再对具体仿真过程举例，本领域技术人员可按照上述思路直接毫无疑义实现对应的仿真分析。
[0100]
图10是本发明实施例提供的相变存储器电热分析系统架构图，如图10所示，包括：
[0101]
相变层划分单元1010，用于将所述相变层等比例划分为相同体积的多个子区域；
[0102]
相变层填充单元1020，用于确定所述掺杂材料的掺杂比例，并按照所述掺杂比例计算掺杂材料所占的子区域数量；以及根据所计算的子区域数量随机选取相应数量的子区域填充掺杂材料，剩余子区域填充相变材料；
[0103]
参数确定单元1030，用于确定掺杂材料、相变材料、上电极、下电极以及绝缘绝热层的电热参数；以及确定相变存储器的边界条件和电流参数；所述边界条件为热边界条件，所述电流参数为reset电流脉冲或set电流脉冲；
[0104]
电热分析单元1040，用于结合上述电热参数、电流参数以及边界条件对所述相变存储器进行有限元热仿真分析，确定所述相变存储器接收reset电流脉冲或set电流脉冲后其内部的温度场分布情况，以进一步根据所述温度场分布情况分析所述相变存储器内部的相变区域和功耗；当相变存储器接收reset电流脉冲时，所述功耗为reset功耗，当相变存储器接收set电流脉冲时，所述功耗为set功耗。
[0105]
可以理解的是，图10中的各个单元的详细功能实现可参见前述方法实施例的描述，在此不做赘述。
[0106]
本发明公开了一种相变存储器的电热分析方法及系统，属于微电子器件及存储器技术领域，具体包括：将相变材料层等比例划分为相同面积的小方块；按照化合物掺杂比例分别计算掺杂材料和相变材料所占小方块个数；分别设置掺杂材料和相变材料的电热参数；在相变材料层填充掺杂材料和相变材料；设置上、下电极及绝缘绝热材料的电热参数；设置边界条件及电流参数；热仿真及分析。该方法可以有效解决化合物掺杂相变材料的电热参数难以获得的问题；划分方格可以更直观地显示相变区域面积；热仿真温度场分布结果有利于分析相变存储单元的reset/set功耗。
[0107]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。