Материал для элементов памяти

ПАМЯТЬ С ПРОИЗВОЛЬНЫМ ДОСТУПОМ И ФАЗО-ПЕРЕМЕННЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ. PRAM

Принцип работы элементов фазо-переменной памяти (PCM cell)

PCM (от англ. Phase-Change Memory) - один из альтернативных вариантов энергонезависимой памяти следующего поколения. В элементах памяти этого типа в качестве ключа используют резистор, материал которого может находиться либо в аморфном (высокое сопротивление) - ключ разомкнут, это состояни элемента называют Reset; либо в кристаллическом (высокая проводимость) - ключ замкнут, это состояние называют Set. Переключение из одного состояния в другое осуществляют электрическими импульсами, управляющими режимом разогрева и охлаждения резистора. Материалом активной области служит халькогенидно полупроводниковое соединение Ge₂Sb₂Te₅ или его аналоги.

Материал для элементов фазо-переменной памяти (PCM cell)

На нижнем рисунке показана зависисимость халькоенидного полупроводниковог соединения, которое может стекловатьс (переходить в аморфное состояние) от температуры

Из рисунка видно, что при комнатной температуре разность в проводимости аморфной и поликристаллической фаз может достигать двух - четырех порядков.

Материал для элементов памяти

На нижнем рисунке показана диаграмма состояния GST

В таблице показаны свойства элементов, входящих в состав GST. Ниже показана структура Ge₂Sb₂Te₅.

Если на PCM элемент, обладающий высоким сопротивлением (состояние "Reset") подать импульс с амплитудой большей порогового значения U > U_th и длительностью более 80 нс, то образец переходит в состояние с высокой проводимостью ("Set"), которое сохраняется при отключении питания. Нижний левый график иллюстрируют процесс записи бита переводом PCM элемента из Reset в Set состяние. На графиках приведены значение напряжения на образце и тока через него, измеряемого путем регистрации напряжения на измерительном сопротивлении R=кОм. Правый нижний график демонстрирует результаты считывания информации после записи бита. Подан тестовый импульс с U < U_th. Наличие тока свидетелствует о том, что PCM элемент находится в состоянии "Set" (ключ замкнут), т.е. действительно бит был записан и материал активной области перешел из аморфного в кристаллическое состояние..

Если на PCM элемент, обладающий низким сопротивлением (состояние "Set") подать короткий импульс (50нс) с амплитудой тока, достаточной для расплавления образца, то образец переходит в состояние с высоким сопротивлением ("Reset"), которое сохраняется при отключении питания. Нижний левый график иллюстрируют процесс записи бита переводом PCM элемента из Set в Reset состяние. Правый нижний график демонстрирует результаты считывания информации после записи бита. Подан тестовый импульс с U < U_th. Отсутствие тока свидетелствует о том, что PCM элемент находится в состоянии "Reset" (ключ разомкнут), т.е. действительно бит был записан и материал активной области перешел из кристаллического в аморфное состояние..

Перечислим основные процессы, происходящие при перезаписи PCM элемента, приняв в качестве исходного состояние Reset (запоминающий объем в аморфном стостоянии, ключ разомкнут):

• На образец подается напряжение U>U_thс длительностью достаточной для того, чтобы остывание образца длилось в течение периода превышающего время спонтанной кристаллизации, через время задержки t_d происходит электронный пробоя пленки GST и возникает соединяющий электроды проводящий канал;
• рассеиваемое в канале джоулево тепло плавит канал и разогревает прилегающие к нему области;
• после прекращения импульса в процессе остывания PCM элемента материал в канале и прилегающих к нему областях кристаллизуется переходя в состояние с высокой проводимостью (ключ замкнулся);
• для того, чтобы разомкнуть ключ на образец подается короткий импульс с амплитудой тока достаточной для расплавления кристаллизованного объема GST (или аналогичного материала);
• после прекращения Reset импульса образец быстро остывает до T<T _cr (время остывания меньше времени кристаллизации) и материал активной области запоминания переходит в аморфное состояние (ключ разомкнулся).

Как правило в выключенном состоянии сопротивление PCM ключа составляе 0,5 - 1,0 Мом, во включенном состоянии на два - три порядка меньше.