[原创] 关于相变存储器的一些探讨

来源：本文由公众号 半导体行业观察 （ID：icbank）翻译自「thememoryguy」，作者Jim Handy&Ron Neale，谢谢。

本文主要探讨对未来商用PCM（相变存储器）阵列中写入/擦除（w / e）耐久性的影响因素。

当今，Intel/Micron公司的生产的3D XPoint存储器，就是以相变存储器为基础的，然而，在目前的技术发展阶段，其使用的耐久性不如预期的好，本文将探讨造成这种差异的原因。

2016年，由IBM领导的研究团队就实现了PCM w / e次数超过2 x 10E12周期的世界纪录（ALD-based Confined PCM with a Metallic Liner Toward Unlimited Endurance, Proc IEDM 2016）。截至目前，市场上可买到的PCM存储器阵列提供的W / e耐久性与之相比，低了约6个数量级。下表来自于另一篇关于此问题的博客文章。

下图总结了可能是有史以来最详细的分析PCM的关键点。顶行的矩形（黄色）说明了破纪录性能的途径。起点采用特殊的约束（~20nm）对称高纵横比结构，高密度ALD沉积纳米晶GST作为活性材料。

今天，PCM芯片制造商执行特殊的BEOL工艺步骤，以在PCM材料以非晶态沉积之后使其结晶。这有助于使位操作更加一致——如果没有这一步，第一个阈值切换操作可能与后面的非常不同。以类似的方式，该结晶确保第一个RESET导致非晶态，其类似于所有后续的RESET。

因此，高密度纳米晶GST结构是很重要的，这是因为它不允许在沉积期间显着形成纳米空隙，否则其在存储器切换过程中是可移动的，并且最终在阳极处聚结导致开路装置故障。

另外，还有一个关键点同样重要，那就是使用衬有高阻导电材料的锥形孔结构。

IBM的实验程序和基本结果在上图中有简要描述，详细的TEM分析和EDX光谱分析提供了熔融和结晶GST中变化和不同相关驱动力的独特视图。

令人惊讶的是，锑（Sb）的运动可能是最严重的，因为它的运动创造了允许形成空隙的条件，这会导致设备故障。当然，此外还有另一条形成空洞的路径：

空位→移动纳米空隙→空洞聚结→设备故障

可见，ALD纳米结晶使后者最小化了。

然而，即使由于空隙的出现而发生故障也无妨，只要直径足够大就可以使通过PCM材料的路径开路。孔的高电阻导电衬垫允许反向电流脉冲通过，从而使器件愈合。该结果加上成分变化和元素分离的细节得出结论，双极操作可能是获得比上图中所示的2×10 ^ 12个生命周期更长的寿命或耐久性的途径。

下面，我们将详细探讨PCM及其堆叠存储器阵列中的元素分离的不同驱动力与阈值开关的关系。然后，将继续讨论双极操作，阈值开关可靠性的影响，以及解决商用PCM存储器阵列的计算w / e耐久性与所展示的可能性之间的差异。

基于上文的总结，下一个步骤是尝试汇总一下相变存储材料在不同位置、不同元素的存储器单元内移动复杂性的所有细节，其在IBM /耶鲁的工作中已经披露。双极操作将成为延长PCM耐久性的手段。

在下图中，中心区域提供了独特PCM设备结构的图示：高纵横比锥形单元，内衬金属导体。两态存储器切换区域（红色）大致位于锥形的中心。这意味着，当结晶时，GST活性材料充当伪顶部和底部电极。

两个侧板（a）和（c）示出了在（a）存储器RESET期间的熔融GST和（c）结晶状态下作为驱动剂的不同作用力。据报道，在熔融状态下，以任何方式移动的两种元素是碲（Te）和锑（Sb），碲成为负电荷阴离子并向阳极移动，而带正电的锑（Sb）变成朝向阴极移动的阳离子。两者都受到静电力的驱动。

由于结构的独特性，还可以观察在高电流RESET脉冲期间，晶体GST中发生的情况。金属中的高电流密度电子风驱动的电迁移通常将材料推向阳极; 对于P型材料而言，情况似乎是相反的，并且在GST中，锑（Sb）和碲（Te）被推向阴极。

可见，更多的锑将在阴极处完成，事实证明是这样的。问题在于靠近阳极的锑的损失会形成可移动的纳米空隙并最终进入阳极，它们在那里聚结，使得存储装置出现开路故障，从而结束其寿命。

下图取自一套研究中的综合设备图像中的一个视图，其总结了破坏性空隙的形成和与之相对应的元素分离的终点。

IBM /耶鲁小组报告说，元素的大部分运动在几个开关周期内非常快速地发生，从而产生伪电极和开关区域的稳定操作位置，这被描述为“成形”过程。似乎在w / e寿命的后期阶段中的长期失效 - 关键问题在于违规元素的渐近运动，这发生在较早的快速移动之后，并且伴随着纳米空隙向聚结终点的较慢移动。

可见，短脉冲、反向脉冲可以修复开路PCM器件，依靠“孔”的金属衬垫来承载一些电流。因此可以得出结论，双极操作可以成为实现最长耐久性的途径。

我认为，设计PCM存储器阵列，在它们遭受空洞故障时修复单元是很麻烦的，但是如果它解决了耐久性问题，那么从一开始双极操作就是正确的。

因为，如所报道的那样，元素分离的主要部分非常快地发生，那么可以预期在一个方向上的任何小的移动，在相反方向的后续脉冲期间将被反转。纳米空隙永远不会到达阳极并聚结。当单元按比例缩小以降低成本时，第二个好处是通过径向扩散的元素分离问题就迎刃而解了。

一切表明，双极操作允许放弃对ALD高密度纳米晶GST的需求，这是个重要的起点。

进一步的考虑是PCM SET / RESET脉冲在时间和幅度上是不对称的：SET脉冲较长，并且具有较低的电流，还有后沿，而RESET脉冲是短的高电流脉冲。

因此，向双极PCM操作的转变可能需要一些权衡，以平衡电流密度的差异，以及两个脉冲之间的元素分离和移动的速率。而另外一些新兴存储器技术则利用对称写/擦除脉冲。

下面，我们将进一步分析前文讨论的元素分离的复杂“图像”如何适用于阈值开关，即PCM位元素在堆叠存储器阵列中的“伙伴”，并将继续探讨这项研究对商用设备的可能影响。

虽然阈值开关不是IBM / Yale工作的一部分，但PCM的双极操作调用的实现意味着需要一个阈值开关，其持久性与存储器中与之关联的存储器阵列的耐久性具有很强的相关性。

如果该研究的PCM发现可以应用于今天商用PCM阵列中使用的掺砷GST阈值开关，则阈值开关可能就是导致商用PCM存储器阵列耐久性差的薄弱环节。

我们必须解决的一个难题：应考虑用下图所示的阈值开关中的哪个版本？是切换时涉及热点和熔融的那些，还是声称是纯电子固态切换的那些？对于后者，很难理解在没有热点或filaments的情况下，如何能够观察到“S”型负电阻特性。

无论如何，首先看一下“全固态”的例子。该模型假设阈值开关位于堆叠阵列中的存储位之上或之下，传导RESET电流，其熔化位单元材料，而自身不会熔化。

现在，GST是一种“p”型材料。为了便于讨论，我们假设掺杂砷的GST也是“p”型材料（在这种情况下，掺杂砷用于提高结晶温度）。这将意味着，作为固体热材料，它将受到电迁移的作用，如下面图b和c所示。如前文所述，锑（Sb）和碲（Te）将向阴极移动并在那里聚集。

同时，所有纳米空隙将稳定地移动到阳极，导致寿命终止聚结。

那么，纳米空隙来自哪里呢？对于阈值开关，材料是并且必须以其非晶态沉积。如前文所述，空隙问题与源自晶态的问题密切相关，需要ALD沉积。然而，还有另一种形成纳米空隙的途径，这些空隙从Te空位开始它们的生命旅程，这些空位自身聚合成纳米空隙，从而继续导致器件失效。

在像掺杂砷得GST这样的非晶材料中，可以预期会有大量的Te空位存在，因此，由单极脉冲驱动的阈值开关可能会像“聚结空隙”类型的失效一样受到影响。PCM在IBM /耶鲁大学的项目中做过研究。而反对者则需要解释为什么不。

另一个考虑因素是Sb积聚和阴极组成变化的后果，这可能导致形成具有较低结晶温度或较低阈值转换电压，或两者兼而有之的“玻璃”。其中任何一个都可能导致邻近存储器单元故障。

那些想要加入“热点和熔断阈值开关俱乐部”的人会期望，在熔化过程中，任何元素分离都将由静电驱动，其中Te移动到阳极，Sb移向阴极。如果只是局部熔化，则会出现前面描述的更复杂的PCM混合效果图像。

那么，阈值开关的耐久性是否也是商用PCM阵列的问题呢？我想，只有英特尔可以回答这个问题。而来自商用PCM阵列供应商的消息有好有坏。另外，除了PCM，还有一些其他新兴存储器技术。相关内容，我们还会有相关文章详细阐述。

今天是《半导体行业观察》为您分享的第1651期内容，欢迎关注。