考慮熱量積累效應(yīng)的相變存儲(chǔ)器單元spice模型系統(tǒng)及應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種相變存儲(chǔ)器單元SPICE模型系統(tǒng)，包括：?jiǎn)卧娮枘M模塊，用于模擬相變存儲(chǔ)器單元電阻；溫度計(jì)算模塊，用于針對(duì)施加的連續(xù)脈沖序列，計(jì)算每個(gè)脈沖信號(hào)結(jié)束時(shí)刻考慮脈沖信號(hào)下熱量積累效應(yīng)的存儲(chǔ)器單元相變層溫度；晶化速率計(jì)算模塊，用于計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生晶化的相變層體積；非晶化速率計(jì)算模塊，用于計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生非晶化的相變層體積以及相變模塊，用于選擇晶化速率或非晶化速率計(jì)算非晶化率。本發(fā)明還公開(kāi)了所述相變存儲(chǔ)器單元SPICE模型應(yīng)用于模擬相變存儲(chǔ)器單元多值存儲(chǔ)。本發(fā)明能準(zhǔn)確模擬相變存儲(chǔ)器單元電阻變化，尤其是在連續(xù)脈沖作用下，熱量積累效應(yīng)明顯時(shí)，并能準(zhǔn)確模擬相變存儲(chǔ)器多值存儲(chǔ)技術(shù)中的相變存儲(chǔ)器單元電阻。
【專利說(shuō)明】考慮熱量積累效應(yīng)的相變存儲(chǔ)器單元SPICE模型系統(tǒng)及應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于集成電路專用模擬程序(Simulation Program with IC Emphasis,SPICE)模型系統(tǒng)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種考慮熱量積累效應(yīng)的相變存儲(chǔ)器單元SPICE模型系統(tǒng)及應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]相變存儲(chǔ)器利用可穩(wěn)定相變的材料來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。典型的相變材料為GST化合物，由鍺(Ge )、銻(Sb )和碲(Te )構(gòu)成。材料可在晶態(tài)和非晶態(tài)間發(fā)生可逆相變，晶態(tài)的電阻較低，非晶態(tài)的電阻較高。不同相態(tài)對(duì)應(yīng)的差異明顯的電阻值可用于表示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的邏輯狀態(tài)。在向相變存儲(chǔ)器寫(xiě)入數(shù)據(jù)的過(guò)程中，一般采用電脈沖。通過(guò)施加一個(gè)脈寬相對(duì)長(zhǎng)、幅值相對(duì)低的電脈沖，使相變材料的溫度上升到結(jié)晶溫度并維持一段時(shí)間，材料轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)，此過(guò)程被稱為“set”過(guò)程，晶態(tài)稱為“set”態(tài)。通過(guò)施加一個(gè)脈寬相對(duì)短、幅值相對(duì)高的電脈沖，使相變材料的溫度上升到熔點(diǎn)以上再快速冷卻，材料轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)，此過(guò)程被稱為“reset”過(guò)程，非晶態(tài)被稱為“reset”態(tài)。在讀取相變存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)的過(guò)程中，施加幅值很低的、不會(huì)改變單元晶化狀態(tài)的電脈沖，測(cè)量單元的電阻值。相變存儲(chǔ)器由于可與CMOS工藝集成，具有高速、低壓、低功耗、集成度高等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是最有希望成為下一代非揮發(fā)性存儲(chǔ)器的器件。
[0003]對(duì)于相變存儲(chǔ)器的商業(yè)化應(yīng)用而言，良好的芯片電路設(shè)計(jì)十分重要?，F(xiàn)代電子電路設(shè)計(jì)中廣泛采用的EDA(Electronic Design Automation),即電子自動(dòng)化設(shè)計(jì)，可以利用計(jì)算機(jī)對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行人工難以完成的模擬評(píng)估、設(shè)計(jì)校驗(yàn)、設(shè)計(jì)優(yōu)化等工作，已經(jīng)成為集成電路設(shè)計(jì)的主要技術(shù)手段。電路仿真軟件的輸入文件一般包括電路結(jié)構(gòu)描述文件和元件模型文件，這兩者構(gòu)成整體電路模型系統(tǒng)。因此，能準(zhǔn)確模擬電學(xué)特性的相變存儲(chǔ)器單元的SPICE模型系統(tǒng)對(duì)于相變存儲(chǔ)器芯片電路設(shè)計(jì)至關(guān)重要。
[0004]目前已有的相變存儲(chǔ)器單元SPICE模型系統(tǒng)包括:相變電阻模塊、溫度計(jì)算模塊、狀態(tài)存儲(chǔ)模塊和結(jié)晶率計(jì)算模塊，通過(guò)計(jì)算電脈沖導(dǎo)致的溫度變化，計(jì)算相變電阻器的結(jié)晶率，從而模擬電信號(hào)作用下相變存儲(chǔ)器單元電阻變化情況。雖然已有的相變存儲(chǔ)器單元SPICE模型系統(tǒng)能夠較準(zhǔn)確模擬單一脈沖作用下相變存儲(chǔ)器單元的電阻變化，該模型系統(tǒng)沒(méi)有考慮熱量積累效應(yīng)對(duì)相變存儲(chǔ)器單元電阻的影響。隨著技術(shù)發(fā)展，對(duì)存儲(chǔ)器單元的讀寫(xiě)速度加快，存取次數(shù)增多，脈沖序列作用下器件的熱量積累效應(yīng)更加明顯，現(xiàn)有模型系統(tǒng)對(duì)于脈沖序列作用下的相變存儲(chǔ)器單元阻值模擬偏差明顯，不能為芯片電路設(shè)計(jì)提供可靠的參考。另外，由于目前已有的相變存儲(chǔ)器單元SPICE模型系統(tǒng)不能準(zhǔn)確模擬相變存儲(chǔ)器單元真實(shí)的電阻變化，因此無(wú)法用于多值存儲(chǔ)技術(shù)的芯片設(shè)計(jì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種考慮熱量積累效應(yīng)的相變存儲(chǔ)器單元SPICE模型系統(tǒng)，該模型系統(tǒng)可用于模擬多值存儲(chǔ)，其目的在于準(zhǔn)確模擬相變存儲(chǔ)器單元在脈沖序列作用下阻值變化，由此解決現(xiàn)有相變存儲(chǔ)器單元SPICE模型系統(tǒng)在讀寫(xiě)速度快、存取次數(shù)多的情況下模擬相變存儲(chǔ)器單元電阻值與真實(shí)情況偏差明顯的技術(shù)問(wèn)題，同時(shí)解決沒(méi)有適合的相變存儲(chǔ)器SPICE模型系統(tǒng)模擬多值存儲(chǔ)的問(wèn)題。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種相變存儲(chǔ)器單元SPICE模型系統(tǒng)，包括:
[0007]單元電阻模擬模塊，用于根據(jù)相變模塊提供的非晶化率計(jì)算相變存儲(chǔ)器單元實(shí)時(shí)電阻，并根據(jù)計(jì)算所得的相變存儲(chǔ)器實(shí)時(shí)電阻對(duì)施加的電壓或電流信號(hào)做出相應(yīng)輸出；
[0008]溫度計(jì)算模塊，用于根據(jù)環(huán)境溫度和脈沖熱效應(yīng)計(jì)算每個(gè)脈沖信號(hào)結(jié)束時(shí)刻相變存儲(chǔ)器單元相變層溫度，針對(duì)施加的連續(xù)脈沖序列，考慮脈沖信號(hào)下熱量積累效應(yīng)，環(huán)境溫度在每個(gè)脈沖結(jié)束時(shí)刻更新為實(shí)時(shí)相變層溫度；
[0009]晶化速率計(jì)算模塊，用于根據(jù)溫度計(jì)算模塊輸出的相變層溫度，計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生晶化的相變層體積；
[0010]非晶化速率計(jì)算模塊，用于根據(jù)溫度計(jì)算模塊輸出的相變層溫度，計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生非晶化的相變層體積；
[0011]相變模塊，當(dāng)相變層溫度高于相變材料熔點(diǎn)時(shí)，選擇非晶化速率作為相變速率，當(dāng)相變層溫度低于相變材料熔點(diǎn)時(shí)，選擇晶化速率作為相變速率，根據(jù)相變速率計(jì)算相變存儲(chǔ)器單元的非晶化率。
[0012]優(yōu)選地，所述溫度計(jì)算模塊計(jì)算實(shí)時(shí)相變層溫度的方法為:
【權(quán)利要求】
1.一種相變存儲(chǔ)器單元SPICE模型系統(tǒng)，其特征在于，包括: 單元電阻模擬模塊，用于根據(jù)相變模塊提供的非晶化率計(jì)算相變存儲(chǔ)器單元實(shí)時(shí)電阻，并根據(jù)相變存儲(chǔ)器實(shí)時(shí)電阻對(duì)施加的電壓或電流信號(hào)做出相應(yīng)電流或電壓輸出； 溫度計(jì)算模塊，用于根據(jù)環(huán)境溫度和脈沖熱效應(yīng)計(jì)算每個(gè)脈沖信號(hào)結(jié)束時(shí)刻相變存儲(chǔ)器單元相變層溫度，并將環(huán)境溫度在每個(gè)脈沖結(jié)束時(shí)刻更新為實(shí)時(shí)相變層溫度； 晶化速率計(jì)算模塊，用于根據(jù)溫度計(jì)算模塊輸出的相變層溫度，計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生晶化的相變層體積； 非晶化速率計(jì)算模塊，用于根據(jù)溫度計(jì)算模塊輸出的相變層溫度，計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生非晶化的相變層體積； 相變模塊，當(dāng)相變層溫度高于相變材料熔點(diǎn)時(shí)，選擇非晶化速率作為相變速率，當(dāng)相變層溫度低于相變材料熔點(diǎn)時(shí)，選擇晶化速率作為相變速率，根據(jù)相變速率計(jì)算相變存儲(chǔ)器單元的非晶化率。
2.如權(quán)利要求1所述的相變存儲(chǔ)器單元SPICE模型系統(tǒng)，其特征在于，所述溫度計(jì)算模塊計(jì)算實(shí)時(shí)相變層溫度的方法為:
3.如權(quán)利要求1所述的相變存儲(chǔ)器單元SPICE模型系統(tǒng)，其特征在于，所述晶化速率計(jì)算模塊將成核速率和生長(zhǎng)速率相加得到單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生晶化變化的相變層體積。
4.如權(quán)利要求1所述的相變存儲(chǔ)器單元SPICE模型系統(tǒng)，其特征在于，所述非晶化速率計(jì)算模塊采用的非晶化速率計(jì)算方法為:
vaa = a2 (T-Tm) / (hfj， 其中，vaa為非晶化速率，T為溫度計(jì)算模塊得到的相變層溫度，Tm為相變層熔點(diǎn)，Ii1為熔化潛熱，rta為非晶化區(qū)域的熱阻，a2是實(shí)驗(yàn)測(cè)得的比例系數(shù)，用于擬合實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
5.如權(quán)利要求1所述的相變存儲(chǔ)器單元SPICE模型系統(tǒng)，其特征在于，所述相變模塊包括選擇電路和電容，選擇電路用于選擇晶化速率或非晶化速率作為相變速率，電容用于計(jì)算非晶化率。
6.權(quán)利要求1至5任意一項(xiàng)所述的相變存儲(chǔ)器單元SPICE模型系統(tǒng)應(yīng)用于模擬相變存儲(chǔ)器多值存儲(chǔ)。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK103514322SQ201310410747
【公開(kāi)日】2014年1月15日 申請(qǐng)日期:2013年9月10日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月10日
【發(fā)明者】李震, 繆向水, 鄧宇帆, 劉暢 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)