Характеристики работы элемента памяти на ХСП в режиме записи

 

Государственное образовательное учреждение высшего  профессионального образования

«Санкт-Петербургский  государственный политехнический  университет»

Физико-технический  факультет

Кафедра твердотельной электроники 
 
 

                                        Работа допущена к защите

                                        Зав. кафедрой

                                        ____________  Р.А Сурис

                                        “     ”_____________2010  г. 
 
 

ВЫПУСКНАЯ   РАБОТА   БАКАЛАВРА

 
 
 

Тема:  Характеристики работы элемента памяти на ХСП

в режиме записи

 

         Направление: 140400 – «ТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА»

 
 
 
 
 
 

Выполнил студент  гр. 4104     _________          Ю.М. Малышева

 
 

Руководитель:

профессор, д.ф.-м.н., в.н.с.   _________          К.Д. Цэндин

 
 
 
 
 
 
 

Санкт-Петербург

2010

 
 

Оглавление

Оглавление 2

1.Введение 3

2.Сравнение  типов памяти на  разных носителях 5

3.Характеристики памяти на ХСП 11

3.1.Режим записи 11

3.2.Условия существования  эффекта переключения 14

3.2.1.Тепловой механизм  переключения 14

3.2.2.Электронно-тепловой  механизм переключения 17

4.Заключение 20

5.Список  используемой литературы 21

 
 

 

1.Введение

 

Развитие  современной полупроводниковой  памяти является одним из основных факторов развития и внедрения современных информационных технологий. При этом особое значение имеют разработки принципиально новых типов памяти, обладающих расширенными функциональными возможностями. Разработка технологии энергонезависимой памяти ("Flash") не только способствовало расширению функциональных возможностей и надежности традиционных аппаратных средств, но и по существу, обеспечило развитие новых быстро развивающихся сегментов рынка информационных технологий; например, мобильных средств связи (мобильные телефоны, коммуникаторы и пр.), автономных компьютерных систем (переносные компьютеры, автономные системы мониторинга и сбора данных и т.п.). Дальнейшее совершенствование энергонезависимой памяти и развитие ее технологии будет способствовать повышению быстродействия внешних устройств памяти, снижению их энергоемкости, габаритов, веса и в конечном счете стоимости. Уже в настоящее время рядом фирм на основе энергонезависимой памяти FLASH-типа разработаны накопители емкостью 64 и более Гбайт. Что позволило применять эти микросхемы вместо жестких дисков с магнитными носителями информации.

      Успех Flash памяти стимулировал исследования в области новых принципов  записи и долговременного хранения информации.  Ряд фирм начало практические работы в области разработки микросхем с самыми разными принципами хранения информации, поскольку устройства Flash вплотную приблизились к пределу масштабирования.

      Сегодня на пороге промышленной реализации стоит  уже целый ряд альтернативных технологий хранения данных. Интерес заключается в том, чтобы выделить из них лучшую память, обладающую оптимальным набором характеристик.

      Также, для создания элементов энергонезависимой  памяти нового поколения необходимо не только изучить физические процессы, происходящие в этих приборах, но и иметь расчетные соотношения, позволяющие их проектировать.

     В связи  с этим, основная цель работы заключалась:

     В нахождении оптимальной технологии памяти, максимально  удовлетворяющей не только нынешним запросам, но и тем, которые ожидают нас в ближайшем будущем и исследовании режимов работы нового элемента памяти в зависимости от свойств  использующегося материала и внешних условий.

Для достижения поставленных целей необходимо было решить следующие задачи:

1. сравнить характеристики уже существующих, а также альтернативных технологий  памяти,
2. разработать модель, описывающую процесс записи,
3. составить и решить уравнения для нахождения функциональных параметров материала.

Методы:

1. сравнение характеристик различных элементов памяти
2. метод температуры, слабо зависящей от координат.

 

2.Сравнение  типов памяти на  различных носителях

      На  текущий момент времени известно много альтернативных технологий хранения данных. Это: DRAM (Dynamic Random Access Memory – динамическая память с произвольным доступом), SRAM (Static RAM – статическая память с произвольным доступом), Flash-память (Название «флеш» было придумано в Toshiba коллегой Фудзио Масуоко(изобретатель флеш-памяти, инженер Toshiba), Сёдзи Ариидзуми, потому что процесс стирания содержимого памяти ему напомнил фотовспышку (англ. flash)), MRAM (Magnetoresistive RAM – магниторезистивная память с произв. дост.), FRAM (или FeRAM - Ferroelectric RAM – сегнетоэлектрическая память), PRAM (Phase-change RAM – память на основе фазового перехода, также известна, как также известна как PCM(Phase-change memory), Ovonic Unified Memory, Chalcogenide RAM и C-RAM),  память на нанотрубках, молекулярная память и голографическая память [1,2]

      Современной электронике нужна память, способная  хранить информацию и при отключении питания, то есть, она должна обладать энергонезависимостью. К сожалению, такие технологии, как SRAM и DRAM, не могут нам этого предоставить. Пока что эти типы памяти активно используются (DRAM – как оперативная память, SRAM – кэш-память и регистры), за счет своих преимуществ (в основном из-за высокой скорости).  Однако, кроме отсутствия энергонезависимости DRAM и SRAM обладают другими важными недостатками, это большие размеры (особенно в SRAM, так как она состоит из большого числа элементов (транзисторов)) и высокое энергпотребление (особенно в DRAM, так как ячейка теряет свой заряд через некоторое время из-за утечек, то через определенные промежутки времени требуется регенерация ее содержимого, каждая ячейка должна обновляться множество раз в секунду (~65 мс[3] ).Так что DRAM и SRAM – первые типы памяти, которые больше всего нуждаются в замене. Итак, пойдем дальше.  Flash-память. Благодаря своей компактности, дешевизне и низкому энергопотреблению флеш-память широко используется в цифровых портативных устройствах — фото- и видеокамерах, диктофонах, MP3-плеерах, КПК, мобильных телефонах, а также смартфонах и коммуникаторах. Также широкое распространение получили USB флеш-накопители («флешка», USB-драйв, USB-диск).  В конце 2007 года Samsung сообщила о создании первого в мире MLC (multi-level cell) чипа флеш-памяти типа NAND, выполненного по 30-нм технологическому процессу с ёмкостью чипа 8 Гб. В декабре 2009 году компанией начато производство этой памяти, но объёмом 4 Гб (32 Гбит)[4]. Так вот, с развитием технологий растет количество информации, которую требуется записать и сохранить. Соответственно, современные типы памяти должны обладать высокой плотностью записи, а значит, малыми размерами ячейки. В данный момент еще ведутся работы по уменьшению ячейки флеш-памяти, вот только известно, что Флеш-память хранит информацию в массиве транзисторов с плавающим затвором, а при уменьшении размера транзистора уменьшается время хранения заряда. И флеш-память уже вплотную приблизилась к пределу масштабирования. Еще один серьезный недостаток: флеш-память допускает ограниченное количество циклов стирания и записи(до миллиона циклов[5]), вполне достижимое даже для владельцев цифровых фотоаппаратов и USB-брелоков, используемых для переноса информации.  На замену этим видам памяти идут новые типы памяти с самыми разными принципами хранения информации. Такие технологии хранения данных, как молекулярная, голографическая и память на нанотрубках, в далеком будущем. Для создания памяти на нанотрубках требуется создать материал с малым количеством дефектов, а это пока не очень-то удается. (наука мало овладела навыками создания бездефектных структур в нано-масштабе, или на это уходит слишком много финансов, что, соответственно, не выгодно). Молекулярная память тоже испытывает ряд трудностей, из-за которых сложно говорить о скором ее введении в промышленное производство. (не буду их перечислять, так как название «молекулярная память» объединяет в себя несколько принципов записи, основанных на использовании молекулы в качестве ячейки памяти, скажу, лишь, что создание таких молекул будет еще сложнее создания нанотрубок). Голографическая память, кстати, обещает обладать огромной плотностью записи информации, не сравнимой ни с какими другими типами памяти, вот только материал для такой памяти стоит пока очень дорого, что, соответственно, делает производство такой памяти невыгодным.  Остаются три наиболее перспективных видов памяти: MRAM, FRAM и PRAM. Приведу таблицу сравнения этих типов памяти:

 
 

      Из  таблицы видно, что по совокупности характеристик РRAM-память является наиболее перспективной.

      PCM-память  обладает следующими преимуществами  над традиционными видами памяти:

      - Более высокая плотность памяти  по сравнению с современной  флэш-памятью;

      - Возможность создания многоуровневой  ячейки (до 4 бит на ячейку);

      - Высокая радиационная стойкость;

      - Масштабируемость (размер ячейки  – менее 50 нм).

      Все это делает память на основе изменения  фазового состояния вещества очень  перспективной для применения в любых государственных или коммерческих областях.

     Хранение данных в  ячейках этой памяти основывается на различие свойств проводимости, кристаллической  и аморфной фаз одного материала. Такая память получила название Phase Random Access Memory (PRAM) или память на фазовых переходах. Несмотря на то, что идея создания такого типа запоминающих ячеек была предложена пять десятилетий назад, только современные халькогенидные соединения полупроводников (ХСП), могут обеспечить параметры не уступающие параметрам характерным для Flash. Как следствие разработка и развитие PRAM устройств может привести к значительному увеличению скорости записи и объему хранимой информации. Первые же исследования показали перспективность применения тонких пленок материалов ХСП в электронике в качестве ключевых элементов и элементов памяти[6-8]. В последнее десятилетие ведутся особенно интенсивные исследования по созданию матриц энергонезависимой памяти на основе квазибинарных соединений GeTe−Sb2Te3, в частности соединения Ge2Sb2Te5 (GST) [9].

     Радиационная  стойкость материала будет способствовать расширению областей применения микросхем  памяти с фазовыми переходами.

 
 

3.Характеристики  элементов памяти  на ХСП

3.1.Режим записи

Рассматриваю режим  записи. При этом режиме халькогенид  изначально находится в аморфном состоянии. Когда на материал подается напряжение, из-за большого сопротивления материал греется и доходит до температуры, при которой переходит в кристаллическое состояние[10]. Для описания этого процесса (нахождения этой температуры, при которой он переходит из высокоомного в низкоомное состояние)запишем уравнение теплопроводности для одномерного случая:

,

 – плотность  в-ва, с – удельная теплоемкость, - теплопроводность,

- плотность тока, E – электрическое поле, прикладываемое к халькогениду.

Член  описывает джоулев нагрев материала вследствие протекания тока.

В начальный момент времени температура халькогенида равна комнатной:

, при t=0 .

А на границах происходит теплообмен с окружающей средой по закону Ньютона. Соответственно, граничные условия примут вид:

.

Учитывая зависимость  удельной проводимости халькогенида от температуры:  , где – удельная проводимость при T=0, – энергия активации проводимости, k – константа Больцмана, получим, что .  Подставим полученную зависимость плотности тока в уравнение теплопроводности:

.

Интегрируем это  уравнение по x от –l до l, при предположении о малости зависимости T от x, получим:      

Далее подставим  сюда граничные условия:

и воспользуемся  предположением о симметричности функции  T(x,t) по x (мы можем сделать такое предположение, так как наша система, а так же граничные условия симметричны). Тогда:

,

или

.

Сделаем замену u= и проинтегрируем:

,

Для удобства заменим  τ = ,    ε = ,    a = . Получим:

.

Аналитически взять  этот интеграл очень сложно поэтом возьмем его численно.

Осталось определиться с ε и  a. Известно, что не при любых значениях ε и a будет существовать S-образная ВАХ, необходимая для переключения. Условия для существования S-образной ВАХ для случая   будут описаны ниже, а пока лишь  напишу     

численные значения  ε и a, при

которых будет существовать такая     τ

ВАХ без объяснения, откуда

появились такие  величины.

В итоге: для ε = 20, величина a

должна быть между

1.939x10^-2 и 1.062x10^-7.

Возьмем а=1.1x10^-7.

Полученный график роста 

температуры от времени 

изображен на рис. 1.

На графике  видно, что время стремится к  бесконечности при u≈1,042. При такой температуре устанавливается стационарное состояние.

 

3.2.Условия  существования S-образной ВАХ

3.2.1. Тепловой  механизм переключения

Память на ХСП (халькогенидных стеклообразных полупроводников) работает за счет эффекта  переключения. Эффект переключения  - скачкообразный обратимый переход полупроводника (или полупроводниковой структуры) из высокоомного состояния в низкоомное под действием электрического поля, превышающего пороговое значение ЕП = 10⁴ - 10⁶ В/см. Термин "переключение" возник в связи с обнаружением быстрого (10-11 с) и большого (4-го порядка) изменения проводимости ХСП сложного состава (рис.2.). Эффекты переключения в ХСП впервые наблюдались в 1961 - 1962 А. Д. Пирсоном (A. D. Pearson), Б. Т. Коломийцем, С. Р. Овшинским (патент США, 1963).

Такие эффекты наблюдаются в полупроводниках,

 у которых вольт-амперная  характеристика (ВАХ) 

имеет участок с  отрицательным 

дифференциальным  сопротивлением, т.е.

должна быть S-образная ВАХ[11,12].

Необходимая для существования S-образной

ВАХ обратная связь устанавливается между

процессами нагрева  и увеличения тока. Протекание тока вызывает нагрев образца, а увеличение температуры – возрастание проводимости, что приводит к дальнейшему увеличению тока и возникновению неустойчивости.

Рассмотрим условия, необходимые для существования S-образной  ВАХ в

тонкой пленке ХСП  в приближении температуры, не зависящей  от координат, при тепловом режиме переключения. Поле и температура, при которых  возникает неустойчивость, определяются при этом из следующей системы  уравнений:

,

где , , , A , , где - энергия активации проводимости, и – температура образца и окружающей среды соответственно, – постоянная Больцмана, - коэффициент внешнего теплоотвода, - проводимость при нулевой температуре,

 – толщина  пленки,

  – напряженность поля.

 и  - члены, описы-

вающие тепловыделение и

теплоотвод соответственно

схематически  изображены

на рис. 3, где точки 1 и 2 – два решения системы  уравнений.

Для решения системы  подставим  и и возьмем производные. После несложных преобразований получим:

,

Теперь вычтем первое уравнение из второго, получим квадратное уравнение относительно 

.

Решим его:

График решения  представлен на

рисунке. Видно, что  при  < 4

уравнение не имеет  решений,

S-образность отсутствует,

 при  >4 существует два решения

системы и наблюдается  S-образная ВАХ. При =4 два решения сливаются в одно, =4 – минимальное значение, для которого может наблюдаться S-образная ВАХ(см. рис. 4, красным цветом показана зависимость x( , желтым пунктиром обозначена граница области существования S-образности.)

Рассмотрим случай, когда дискриминант равен нулю и  найдем соответствующие этому случаю температуру и поле:

-4=0, =4,

, E=

Теперь найдем из ,  , то есть эффект переключения будет возможен только при очень большой температуре окружающей среды, а само переключение будет происходить, при температуре, большей, чем 2 . Такую температуру никакой прибор не выдержит!

 

3.2.2.Электронно-тепловой  механизм переключения

Рассмотрим теперь, как изменится область существования  S-образности при учете явления зависимости проводимости от поля по формуле:

,

где b – константа[13].

Подставим полученную проводимость в наши уравнения, получим:

Будем решать эту  систему уравнений тем же способом, что решали прошлую. Вычтем первое уравнение  из второго, получим квадратное уравнение:

Решим его относительно :

Теперь S-образность будет существовать при ≥ 4, в отличие от теплового механизма переключения, в электронно-тепловом механизме нам не нужна огромная температура окружающей среды для существования s-образной ВАХ. Если в тепловом механизме было , то в электронно-тепловом  , то есть мы можем взять любую температуру, например комнатную: .

Рассмотрим систему  уравнений для случая, когда дискриминант  равен нулю, и найдем соответствующие поле и температуру:

, ,

подставим получившиеся значения в уравнение

,

, E = .

Эти результаты такие  же, как и для случая теплового  механизма, вот только если раньше , то теперь мы берем =300К, и переключение будет теперь происходить при температуре немного выше 600К,  что значительно ниже температуры для теплового механизма переключения.

Распишем  A , подставим это выражение в систему уравнений и найдем L, используя результаты, полученные при условии равенства нулю дискриминанта. Найдем L, при котором система имеет одно решение. После несложных операций, получим, что

.

 

Это пороговая толщина, при которой 

начинает существовать S-образность.

При толщине меньше пороговой 

S-образность исчезает.  То есть, мы

можем контролировать  наличие 

S-образности за счет изменения

толщины пленки.

Схематически зависимость  температуры 

от толщины показана на рис. 6. Желтым пунктиром обозначена граница области существования ВАХ, в каждой области графика схематически показан вид кривой ВАХ, соответствующей этой области.

4.Заключение

1. Сравнительный анализ элементов памяти на различных носителях показал, что PRAM-ячейка памяти обладает рядом преимуществ, которые и определили  интенсивные разработки ряда ведущих фирм носителей информации именно из ХСП,
2. Учет зависимости проводимости ХСП от величины напряженности электрического поля в электронно-тепловой теории позволяет в принципе понять существование температуры в низкоомном состоянии, много меньшей, чем и, в принципе, совпадающей с температурой фазового перехода стекло – кристалл.

 

 

4. Список  используемой литературы
1. М. Валентинова. Полупроводниковая энергонезависимая память на перепутье//Электроника: наука, технология, бизнес, 5’2003
2. Татарников О. Твердотельные накопители // КомпьютерПресс, КомпьютерПресс , 8'2007
3. Бюллетень коммерческой информации, № 95, 23 августа 2008, С. 10.
4. Денис Борн. Intel и Micron на пути к лидерству в области NAND-технологий 3DNews, 26 декабря 2009
5. Александр Харьковский. Micron и Sun анонсировали флэш-память с миллионом циклов записи 3DNews, 21 декабря 2008
6. Б.Т. Коломиец, Э.А. Лебедев. Радиотехника и электроника, 8 (12), 2097 (1963).
7. S.R. Ovshinsky. Phys. Rev. Lett., 21, 1450 (1968).
8. S.R. Ovshinsky, H. Fritzsche. IEEE Trans. Electron Devices, 2, 91 (1973).
9. A.L. Lacaita. Sol. St. Electron., 50, 24 (2006).
10. Неупорядоченные полупроводники: учеб. пособие / А.А. Айвазов, Б.Г. Будагян, С.П. Вихров, А.И. Попов под ред. А.А. Айвазова.- Москва: издательство МЭИ, 1995 – 352с
11. Электронные явления в халькогенидных стеклообразных полупроводниках: научное издание / под ред. К.Д. Цэндина. СПб.: Наука, 1996. -486 с.
12. А. И. Попов. Физика и технология неупорядоченных полупроводников: учеб. пособие. – Москва: издательский дом МЭИ, 2008. -272 с.
13. Э.Н. Воронков, С.А. Козюхин. Электропроводность аморфных пленок халькогенидных соединений в сильных электрических полях// Физика и техника полупроводников, 2009, том 43, вып. 7