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相变存储器(PCRAM)由于其低功耗、高密度、高速度、高可靠性以及低成本等优点成为了下一代非易失性存储器的有力候选之一。为优化相变存储单元性能,需要建立数值模型,以研究不同材料、不同结构的相变存储单元的性能,达到优化器件结构、提高器件性能的目的。为进行相变存储器外围电路设计,需要建立相应的电路模型,以满足电路设计者进行外围电路设计与优化的目的。因此,本论文着眼于以上两点,在相变存储单元的数值模拟和电路模型方面进行研究,主要研究内容包括: 1.相变存储单元数值模拟的研究:相变存储器是根据相变材料在晶态与非晶态之间的快速相变进行编程的,其编程工作过程可分为OTS(Ovonic thresholdswitch)过程和OMS(Ovonic memory switch)过程,本文分别对这两个过程进行模拟,并提出了新的模拟方法: (a)OTS过程是非晶态相变材料在达到阈值电压后电导率急剧增大形成负阻效应的现象,我们提出基于产生-复合理论的OTS机理,通过引入碰撞电离模型进行OTS效应模拟,结果表明,OTS过程是可以利用上述机理解释的,阈值电压不仅与器件尺寸相关也与缺陷浓度相关。 (b)OMS过程是一个热致相变过程,因此我们建立了包含电热耦合模型以及相变动力学模型的数值模拟,电热耦合模型采用泊松方程、电流连续性方程以及热传导方程的耦合系统,同时利用解析相空间理论结合成核/生长理论对相变动力学进行建模,结果表明利用该方法模拟结果与测试结果符合较好。为评估器件结构对编程特性的影响,利用该方法对不同结构的器件进行模拟,结果表明电极尺寸越小,写入电流越小,但是会带来编程窗口减小以及高低阻分辨率减小的副作用;对限制型结构(confined structure)进行了模拟,结果表明限制型结构比传统结构写入电流低6倍,同时高低阻分辨率提高30％,同时也会带来编程窗口减小的副作用,但是该结构对低功耗设计具有重要指导意义。 (c)提出了一种新的基于非晶半导体跳跃传导机理以及蒙特卡洛方法的OTS模拟方法,结果与文献结果趋势一致,我们认为该方法更接近非晶半导体内部载流子传输特性,具有进一步发展的潜力。为更精确的反应相变的物理过程,提出了一种基于元胞自动机的相变动力学算法,基于自主开发的利用有限差分法实现的电热耦合模型结合成核/生长理论,实现了包含生长方向以及生长速度要素的相变过程建模。结果表明,该方法能够实现相态随时间演进的过程,模拟结果与测试结果符合较好。 2.PCRAM电路模型的研究:分为OTS模型研究和OMS模型研究。 (a)OTS模型,建立基于跳跃传导理论的和Poole-Frankel隧穿理论的OTS模型,可以实现OTS效应的模拟,并能对不同尺寸的器件的OTS特性进行模拟,结果表明该模型能够反映器件的可微缩性。 (b)OMS模型,建立包含电阻模块、温度模块以及相变动力学模块的电路模型。首次提出了可动迁移率边的态密度模型,依据该模型晶态与非晶态相变材料的解析电导率公式;提出半球体等温假设,得到解析温度模型;利用JMAK方程进行相变动力学建模。利用Verilog-A集成上述模块,电路仿真结果表明,该模型能够实现相变存储单元的瞬态电学特性仿真,并与测试数据吻合较好。