南京邮电大学集成电路科学与工程学院（产教融合学院）王磊教授课题组对高密度相变存储器阵列中存在的热串扰现象展开研究，相关成果以“基于刀片型限制结构的相变存储器阵列的热串扰效应研究”（Thermal Disturbance Effect of Phase Change Random Access Memory Array based on Blade-Type Structure）为题，发表在《电子学报》2023年第2期。

内容简介

PCRAM的存储原理是在写入信息时（即“RESET”操作）对器件施加一个短而强的电脉冲将其相变材料（本文中所使用的相变材料为Ge2Sb2Te5，简记为GST）加热到熔化温度（熔化温度Tmelt≈893 K）以上然后迅速冷却使其变为非晶态的高阻值状态。在擦除信息时（即“SET”操作）对器件施加一个中等强度且时间较长的电脉冲，使相变材料升温到晶化温度（Tcrys≈673 K）以上熔化温度之下并保持一段时间，使其变为晶态的低阻值状态。

PCRAM作为未来存储设备的候选者，其可扩展性是一个关键问题，将PCRAM器件放在扩展交叉点阵列并缩小器件间距是提高集成密度的核心方法，然而在器件进行“RESET”操作时所产生的热效应会使得相邻单元温度升高并产生热串扰（Thermal Disturbance，TDB）或写入干扰（Write Disturbance，WD）现象，导致存储阵列的可靠性、准确性和稳定性受到影响。因此降低TDB效应对提高PCRAM存储阵列的集成密度和可靠性有着关键作用。

图1 新型刀片型限制结构的相变存储器结构以及TDB效应示意图

基于新型刀片型结构（blade-type）的相变存储器不仅能够降低操作电流、减少功率损耗，而且能够提高PCRAM阵列的集成密度。本文首次针对一种新型刀片型结构的3×3相变存储器阵列在激活状态下的热串扰现象进行了系统研究，通过仿真计算软件Comsol Multiphysics系统研究了新型刀片型结构的相变存储器阵列对热串扰的敏感性，并探讨了器件单元间距、器件结构尺寸、编程脉冲以及阵列的缩放效应对存储器阵列在工作时所产生的热串扰效应及其功耗的影响。

研究结果显示：基于新型刀片型结构的相变存储器阵列，即使将其缩放到20 nm的技术节点，在5 nm的器件单元间距下仍可保持较低的最大热串扰温度；此外我们对阵列单元外部的绝缘层材料进行了改进，通过使用较高热导系数的AlN薄膜来代替SiO2薄膜，在存储器阵列功耗几乎保持不变的情况下进一步有效抑制了热串扰效应，使其最大热串扰温度下降了12.3%。该研究成果对未来基于相变存储器的高密度存储和计算阵列的集成具有非常重要的指导意义。

图2 阵列的缩放对热串扰效应的影响

图3 不同热导率的绝缘层对阵列热串扰效应的影响

高志瑄，硕士。南京邮电大学集成电路科学与工程学院（产教融合学院）在读硕士研究生，主要研究方向为相变存储器以及光电功能混合的存算一体器件。

付金科，硕士。南京邮电大学集成电路科学与工程学院（产教融合学院）在读硕士研究生，主要研究方向为非易失性存储器及其在神经形态计算方面的应用

论文信息

基于刀片型限制结构的相变存储器阵列的热串扰效应研究

连晓娟, 高志瑄, 付金科, 王磊

电子学报, 2023, 51 (2): 396-405.

DOI: 10.12263/DZXB.20211548