Введение к работе
Актуальность. При современном уровне развития информационных технологий, для обеспечения потребностей бизнеса, науки и техники, принципиально важными становятся исследования в области различных видов памяти, поскольку объемы информации постоянно возрастают. При этом встает вопрос об информационной надежности и ресурсе новых накопителей, т.к. при существующих темпах, нет возможности постоянно переписывать информацию с носителя на носитель, а потеря информации во многих случаях может стать катастрофичной. Не менее важным для новых типов памяти является вопрос быстродействия и энергетической независимости. Это приводит к интенсивному развитию различных видов полупроводниковой памяти.
В настоящее время среди устройств энергонезависимой полупроводниковой памяти широкое распространение получила память типа Flash, базирующаяся на хранении заряда. Обладая страничной организацией перезаписи данных и хорошим для такой организации быстродействием (~ 10 мс), эта память имеет сравнительно невысокое число циклов перезаписи и весьма чувствительна к некоторым внешним воздействиям. Современными стандартами количество циклов перезаписи Flash определяется на уровне от 10 000 до 100 000 раз, что достаточно мало, чтобы явиться хорошей альтернативой для магнитных жестких дисков. При этом Flash, как и любой тип памяти, связанный с хранением заряда не обладает радиационной стойкостью, что делает невозможным его применение в военной промышленности. Кроме того, уже просматривается предел масштабирования для элементов памяти этого типа (~ 20 нм).
Все это привело к тому, что основные производители микросхем типа Flash, например, такие как Intel, Samsung, ST Electronics и другие, стали разрабатывать ячейки памяти, базирующиеся не на сохранении статического заряда. Новые ячейки основаны на материалах способных при достаточно низких энергетических затратах изменять фазовый состав. Такой тип памяти получил название PCM (англ., Phase Change Memory). Хранение информации в них осуществляется за счет различия в свойствах разных фаз активного материала, а именно кристаллического, обладающего высокой проводимостью, и аморфного, обладающего высоким сопротивлением. Фазовый состав изменяется подачей на ячейку импульсов напряжения определенной длительности и амплитуды. Несмотря на то, что идея создания такого типа памяти была предложена более полувека назад, только современные соединения халькогенидных стеклообразных полупроводников (ХСП), обеспечивают параметры ячеек не только не уступающие ячейкам Flash, но и во многом превосходящие их. Обладая высокой радиационной стойкостью, хорошим ресурсом (порядка 1012 циклов перезаписи) и быстродействием ~ 100 нс, эта память принципиально позволяет создавать устройства оперативного хранения информации, что в будущем позволит создать компьютерные системы со сверхбыстрой загрузкой, а также с динамическим конфигурированием.
Несмотря на перспективы, которые открываются для нового типа памяти, проектирование PCМ устройств и разработка их технологии в основном являются эмпирическими из-за отсутствия инженерных методов расчета некоторых функциональных стадий, связанных, в основном, с эффектом переключения и фазовыми превращениями.
При неправильном подборе параметров импульсов напряжения перезаписи может происходить потеря информации после ее записи. Также в настоящее время остается открытым вопрос о надежности хранения информации в таких ячейках и др.
В связи с этим, основная цель работы заключалась в комплексном экспериментальном и теоретическом исследовании функционирования ячеек, определении основных стадий многоэтапных процессов записи и стирания информации, выделении на каждом этапе доминирующих процессов, построении для них физико-математических моделей, проверке их адекватности, а так же в создании метода оценки надежности ячеек PCM. Конечная цель работы заключалась в создании методов расчета, позволяющих оптимизировать параметры ячеек и микросхем памяти при их разработке.
Для достижения поставленных целей необходимо было решить следующие задачи:
-
Создать методики получения образцов.
-
Создать методики измерений, модифицировать и отладить имеющуюся измерительную аппаратуру, переориентировав ее для решения поставленных задач.
-
Выполнить экспериментальное исследование электропроводности сэндвич структур в высоких полях, определить области оптимальных режимов перезаписи ячеек.
-
На основе теоретического и экспериментального исследования объяснить новые обнаруженные эффекты.
-
Создать метод расчета надежности ячеек PCM.
-
Создать модели основных процессов для различных этапов функционирования ячеек, выполнить соответствующие расчеты и сравнить их с результатами эксперимента. Предложить соответствующие рекомендации, которые могут быть использованы при проектировании ячеек.
Объекты и методы исследований. Объектами исследования являются электронные процессы двухэлектродных тестовых ячеек PCM, представляющие собой тонкие пленки ХСП с электродами различной конфигурации. Основными методами исследования являются измерения статических и динамических характеристик тестовых ячеек PCM. Основным методом оценки достоверности расчетных результатов является их сравнение с экспериментальными и литературными данными.
Научная новизна:
-
Установлена связь между видом вольтамперной характеристики и свойствами материала и геометрии активной области.
-
На основе подхода, предложенного Колмогоровым, развита модель информационного отказа ячейки PCM, расчеты по которой удовлетворительно соответствуют известным экспериментальным данным.
-
Показано, что быстрая стадия записи кристаллического состояния ячейки памяти может быть объяснена ударной ионизацией в индуцированном канале, что подтверждается соответствующими расчетами.
-
Показано, что при постоянном тепловом фоне возможно возникновение термокинетических колебаний в объеме материала памяти.
-
Составлен комплекс связанных физико-математических моделей, описывающих все стадии функционирования элементов памяти.
Практическая ценность:
-
Предложенная в работе связь вида вольтамперных характеристик с параметрами материала позволяет осуществлять выявление потенциально ненадежных элементов памяти в процессе работы микросхемы.
-
Показана область режимов функционирования элемента памяти, которая может приводить к возникновению его нестабильности и которая должна быть исключена из работы микросхемы.
-
Разработаны методы априорной оценки надежности, позволяющие избегать дорогостоящих испытаний в процессе проектирования микросхем памяти.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Достоверность моделей и выполненных по ним результатов расчетов для включения и выключения ячеек PCM.
-
Способ определения характеристических параметров PCM ячейки по ее статическим характеристикам.
-
Справедливость выводов о минимальных размерах разделительных теплоизолирующих слоев, сделанных на основе расчетов возможной тепловой связи PCM ячеек в накопителе PCRAM (англ., Phase Change Random Access Memory).
-
Обнаруженный эффект возникновения колебаний проводимости, которые обусловлены многочисленными фазовыми превращениями в разных областях ячейки PCM. Его объяснение и справедливость применяемой физико-математической модели.
-
Предложенный метод оценки надежности хранения информации в ячейках PCM и результаты расчетов для ячейки на основе материала, используемого в схемах PCRAM.
Реализация результатов. Результаты исследования вошли составной частью в работу, выполненную совместно с ИОНХ РАН РФ по проекту 08-03-00651 РФФИ.
Разработанные программные модули были использованы автором при создании лабораторной работы по расчету тепловых процессов в микросхеме памяти в рамках курса “Численный анализ электронных схем и автоматизация схемотехнического моделирования”, читаемого в НИУ МЭИ бакалаврам по направлению 210100 (550700).
Полученные в рамках диссертационной работы результаты были использованы при подготовке раздела, посвященного PCRAM в курсе “Системы памяти”, читаемого в НИУ МЭИ магистрам по направлению 210100 (550700).
Апробация работы. Результаты диссертации изложены в 21 работе, которые приведены в списке работ автора, опубликованных по теме диссертации, а также докладывались и обсуждались на перечисленных ниже конференциях и семинарах:
-
Международные научно-методические семинары “Флуктационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах” МНТОРЭС им. А.С. Попова в 2008, 2009, 2010, 2011 гг.
-
Научная сессия Центра хемотроники стекла им. В.В. Тарасова, посвященной 100-летию со дня рождения профессора Б.Т. Коломийца. 15 апреля 2008 г., Москва, Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева.
-
Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Зеленоград 28-30 апреля 2010. “Микроэлектроника и информатика 2010”. Министерство образования и науки РФ, Московский государственный институт электронной техники (ТУ).
-
Международная конференция “Аморфные и микрокристаллические полупроводники”, 28 июня - 1июля 2010 г., Санкт-Петербург, ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН РФ.
-
Пятнадцатой, шестнадцатой и семнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Секция “Полупроводниковая электроника”, Москва 2009, 2010 и 2011 гг.
-
10th Non-Volatile Memory Technology Symposium, October 25-28, 2009, Hilton Portland and Executive Tower Portland, Oregon, USA.
-
23rd International Conference on Amorphous and Nanocrystalline Semiconductors, ICANS 23 Science and Technology the Netherlands, Aug. 23-28 2009.
-
The 5th Forum NANO AND GIGA CHALLENGES in Electronics, Photonics and Renewable Energy, Moscow - Zelenograd, Russia, September 1216, 2011.
-
3-я международная конференция «Аппликативные вычислительные системы АВС 2012», Москва, 26-28 ноября, 2012 г.
По завершении работы сделаны доклады по общим результатам диссертации на семинаре кафедры физики полупроводников отделения физики твердого тела физического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова в научной группе проф. Звягина И.П. (17.12.2012) и на семинаре лаборатории фотоэлектрических явлений в полупроводниках отделения физики твердого тела Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук (18.12.2012).
Личный вклад автора. Автор создал аппаратно-измерительный комплекс для изучения статических характеристик ячеек; выполнил экспериментальное исследование статических и динамических характеристик PCM ячеек; создал комплекс моделей всех стадий функционирования ячеек PCM; выполнил сравнение расчетных результатов с экспериментальными; обнаружил и объяснил эффект колебаний проводимости в ячейках; предложил метод априорной оценки надежности хранения информации.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка опубликованных работ автора и списка цитируемой литературы. Объем работы составляет _ 190 _ страниц, включая _ 111 _ рисунков, _ 4 _ таблицы, _ 1 _ приложение. Список цитируемой литературы включает _ 88 _ наименований.
