本文主要探討對(duì)未來商用PCM（相變存儲(chǔ)器）陣列中寫入/擦除（w / e）耐久性的影響因素。

　　當(dāng)今，Intel/Micron公司的生產(chǎn)的3D XPoint存儲(chǔ)器，就是以相變存儲(chǔ)器為基礎(chǔ)的，然而，在目前的技術(shù)發(fā)展階段，其使用的耐久性不如預(yù)期的好，本文將探討造成這種差異的原因。

　　PCM元素分離和耐久性

　　2016年，由IBM領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)就實(shí)現(xiàn)了PCM w / e次數(shù)超過2 x 10E12周期的世界紀(jì)錄（ALD-based Confined PCM with a Metallic Liner Toward Unlimited Endurance, Proc IEDM 2016）。截至目前，市場(chǎng)上可買到的PCM存儲(chǔ)器陣列提供的W / e耐久性與之相比，低了約6個(gè)數(shù)量級(jí)。下表來自于另一篇關(guān)于此問題的博客文章。

　　下圖總結(jié)了可能是有史以來最詳細(xì)的分析PCM的關(guān)鍵點(diǎn)。頂行的矩形（黃色）說明了破紀(jì)錄性能的途徑。起點(diǎn)采用特殊的約束（~20nm）對(duì)稱高縱橫比結(jié)構(gòu)，高密度ALD沉積納米晶GST作為活性材料。

　　今天，PCM芯片制造商執(zhí)行特殊的BEOL工藝步驟，以在PCM材料以非晶態(tài)沉積之后使其結(jié)晶。這有助于使位操作更加一致——如果沒有這一步，第一個(gè)閾值切換操作可能與后面的非常不同。以類似的方式，該結(jié)晶確保第一個(gè)RESET導(dǎo)致非晶態(tài)，其類似于所有后續(xù)的RESET。

　　因此，高密度納米晶GST結(jié)構(gòu)是很重要的，這是因?yàn)樗辉试S在沉積期間顯著形成納米空隙，否則其在存儲(chǔ)器切換過程中是可移動(dòng)的，并且最終在陽(yáng)極處聚結(jié)導(dǎo)致開路裝置故障。

　　另外，還有一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)同樣重要，那就是使用襯有高阻導(dǎo)電材料的錐形孔結(jié)構(gòu)。

　　IBM的實(shí)驗(yàn)程序和基本結(jié)果在上圖中有簡(jiǎn)要描述，詳細(xì)的TEM分析和EDX光譜分析提供了熔融和結(jié)晶GST中變化和不同相關(guān)驅(qū)動(dòng)力的獨(dú)特視圖。

　　令人驚訝的是，銻（Sb）的運(yùn)動(dòng)可能是最嚴(yán)重的，因?yàn)樗倪\(yùn)動(dòng)創(chuàng)造了允許形成空隙的條件，這會(huì)導(dǎo)致設(shè)備故障。當(dāng)然，此外還有另一條形成空洞的路徑：

　　空位→移動(dòng)納米空隙→空洞聚結(jié)→設(shè)備故障

　　可見，ALD納米結(jié)晶使后者最小化了。

　　然而，即使由于空隙的出現(xiàn)而發(fā)生故障也無(wú)妨，只要直徑足夠大就可以使通過PCM材料的路徑開路?？椎母唠娮鑼?dǎo)電襯墊允許反向電流脈沖通過，從而使器件愈合。該結(jié)果加上成分變化和元素分離的細(xì)節(jié)得出結(jié)論，雙極操作可能是獲得比上圖中所示的2×10 ^ 12個(gè)生命周期更長(zhǎng)的壽命或耐久性的途徑。

　　下面，我們將詳細(xì)探討PCM及其堆疊存儲(chǔ)器陣列中的元素分離的不同驅(qū)動(dòng)力與閾值開關(guān)的關(guān)系。然后，將繼續(xù)討論雙極操作，閾值開關(guān)可靠性的影響，以及解決商用PCM存儲(chǔ)器陣列的計(jì)算w / e耐久性與所展示的可能性之間的差異。

　　更完整的元素分離視圖

　　基于上文的總結(jié)，下一個(gè)步驟是嘗試匯總一下相變存儲(chǔ)材料在不同位置、不同元素的存儲(chǔ)器單元內(nèi)移動(dòng)復(fù)雜性的所有細(xì)節(jié)，其在IBM /耶魯?shù)墓ぷ髦幸呀?jīng)披露。雙極操作將成為延長(zhǎng)PCM耐久性的手段。

　　在下圖中，中心區(qū)域提供了獨(dú)特PCM設(shè)備結(jié)構(gòu)的圖示：高縱橫比錐形單元，內(nèi)襯金屬導(dǎo)體。兩態(tài)存儲(chǔ)器切換區(qū)域（紅色）大致位于錐形的中心。這意味著，當(dāng)結(jié)晶時(shí)，GST活性材料充當(dāng)偽頂部和底部電極。

　　兩個(gè)側(cè)板（a）和（c）示出了在（a）存儲(chǔ)器RESET期間的熔融GST和（c）結(jié)晶狀態(tài)下作為驅(qū)動(dòng)劑的不同作用力。據(jù)報(bào)道，在熔融狀態(tài)下，以任何方式移動(dòng)的兩種元素是碲（Te）和銻（Sb），碲成為負(fù)電荷陰離子并向陽(yáng)極移動(dòng)，而帶正電的銻（Sb）變成朝向陰極移動(dòng)的陽(yáng)離子。兩者都受到靜電力的驅(qū)動(dòng)。

　　由于結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性，還可以觀察在高電流RESET脈沖期間，晶體GST中發(fā)生的情況。金屬中的高電流密度電子風(fēng)驅(qū)動(dòng)的電遷移通常將材料推向陽(yáng)極; 對(duì)于P型材料而言，情況似乎是相反的，并且在GST中，銻（Sb）和碲（Te）被推向陰極。

　　可見，更多的銻將在陰極處完成，事實(shí)證明是這樣的。問題在于靠近陽(yáng)極的銻的損失會(huì)形成可移動(dòng)的納米空隙并最終進(jìn)入陽(yáng)極，它們?cè)谀抢锞劢Y(jié)，使得存儲(chǔ)裝置出現(xiàn)開路故障，從而結(jié)束其壽命。

　　下圖取自一套研究中的綜合設(shè)備圖像中的一個(gè)視圖，其總結(jié)了破壞性空隙的形成和與之相對(duì)應(yīng)的元素分離的終點(diǎn)。

　　IBM /耶魯小組報(bào)告說，元素的大部分運(yùn)動(dòng)在幾個(gè)開關(guān)周期內(nèi)非常快速地發(fā)生，從而產(chǎn)生偽電極和開關(guān)區(qū)域的穩(wěn)定操作位置，這被描述為“成形”過程。似乎在w / e壽命的后期階段中的長(zhǎng)期失效 - 關(guān)鍵問題在于違規(guī)元素的漸近運(yùn)動(dòng)，這發(fā)生在較早的快速移動(dòng)之后，并且伴隨著納米空隙向聚結(jié)終點(diǎn)的較慢移動(dòng)。

　　可見，短脈沖、反向脈沖可以修復(fù)開路PCM器件，依靠“孔”的金屬襯墊來承載一些電流。因此可以得出結(jié)論，雙極操作可以成為實(shí)現(xiàn)最長(zhǎng)耐久性的途徑。

　　我認(rèn)為，設(shè)計(jì)PCM存儲(chǔ)器陣列，在它們?cè)馐芸斩垂收蠒r(shí)修復(fù)單元是很麻煩的，但是如果它解決了耐久性問題，那么從一開始雙極操作就是正確的。

　　因?yàn)椋缢鶊?bào)道的那樣，元素分離的主要部分非?？斓匕l(fā)生，那么可以預(yù)期在一個(gè)方向上的任何小的移動(dòng)，在相反方向的后續(xù)脈沖期間將被反轉(zhuǎn)。納米空隙永遠(yuǎn)不會(huì)到達(dá)陽(yáng)極并聚結(jié)。當(dāng)單元按比例縮小以降低成本時(shí)，第二個(gè)好處是通過徑向擴(kuò)散的元素分離問題就迎刃而解了。

　　一切表明，雙極操作允許放棄對(duì)ALD高密度納米晶GST的需求，這是個(gè)重要的起點(diǎn)。

　　進(jìn)一步的考慮是PCM SET / RESET脈沖在時(shí)間和幅度上是不對(duì)稱的：SET脈沖較長(zhǎng)，并且具有較低的電流，還有后沿，而RESET脈沖是短的高電流脈沖。

　　因此，向雙極PCM操作的轉(zhuǎn)變可能需要一些權(quán)衡，以平衡電流密度的差異，以及兩個(gè)脈沖之間的元素分離和移動(dòng)的速率。而另外一些新興存儲(chǔ)器技術(shù)則利用對(duì)稱寫/擦除脈沖。

　　下面，我們將進(jìn)一步分析前文討論的元素分離的復(fù)雜“圖像”如何適用于閾值開關(guān)，即PCM位元素在堆疊存儲(chǔ)器陣列中的“伙伴”，并將繼續(xù)探討這項(xiàng)研究對(duì)商用設(shè)備的可能影響。

　　閾值開關(guān)的故障模式

　　雖然閾值開關(guān)不是IBM / Yale工作的一部分，但PCM的雙極操作調(diào)用的實(shí)現(xiàn)意味著需要一個(gè)閾值開關(guān)，其持久性與存儲(chǔ)器中與之關(guān)聯(lián)的存儲(chǔ)器陣列的耐久性具有很強(qiáng)的相關(guān)性。

　　如果該研究的PCM發(fā)現(xiàn)可以應(yīng)用于今天商用PCM陣列中使用的摻砷GST閾值開關(guān)，則閾值開關(guān)可能就是導(dǎo)致商用PCM存儲(chǔ)器陣列耐久性差的薄弱環(huán)節(jié)。

　　我們必須解決的一個(gè)難題：應(yīng)考慮用下圖所示的閾值開關(guān)中的哪個(gè)版本？是切換時(shí)涉及熱點(diǎn)和熔融的那些，還是聲稱是純電子固態(tài)切換的那些？對(duì)于后者，很難理解在沒有熱點(diǎn)或filaments的情況下，如何能夠觀察到“S”型負(fù)電阻特性。

　　無(wú)論如何，首先看一下“全固態(tài)”的例子。該模型假設(shè)閾值開關(guān)位于堆疊陣列中的存儲(chǔ)位之上或之下，傳導(dǎo)RESET電流，其熔化位單元材料，而自身不會(huì)熔化。

　　現(xiàn)在，GST是一種“p”型材料。為了便于討論，我們假設(shè)摻雜砷的GST也是“p”型材料（在這種情況下，摻雜砷用于提高結(jié)晶溫度）。這將意味著，作為固體熱材料，它將受到電遷移的作用，如下面圖b和c所示。如前文所述，銻（Sb）和碲（Te）將向陰極移動(dòng)并在那里聚集。

　　同時(shí)，所有納米空隙將穩(wěn)定地移動(dòng)到陽(yáng)極，導(dǎo)致壽命終止聚結(jié)。

　　那么，納米空隙來自哪里呢？對(duì)于閾值開關(guān)，材料是并且必須以其非晶態(tài)沉積。如前文所述，空隙問題與源自晶態(tài)的問題密切相關(guān)，需要ALD沉積。然而，還有另一種形成納米空隙的途徑，這些空隙從Te空位開始它們的生命旅程，這些空位自身聚合成納米空隙，從而繼續(xù)導(dǎo)致器件失效。

　　在像摻雜砷得GST這樣的非晶材料中，可以預(yù)期會(huì)有大量的Te空位存在，因此，由單極脈沖驅(qū)動(dòng)的閾值開關(guān)可能會(huì)像“聚結(jié)空隙”類型的失效一樣受到影響。PCM在IBM /耶魯大學(xué)的項(xiàng)目中做過研究。而反對(duì)者則需要解釋為什么不。

　　另一個(gè)考慮因素是Sb積聚和陰極組成變化的后果，這可能導(dǎo)致形成具有較低結(jié)晶溫度或較低閾值轉(zhuǎn)換電壓，或兩者兼而有之的“玻璃”。其中任何一個(gè)都可能導(dǎo)致鄰近存儲(chǔ)器單元故障。

　　那些想要加入“熱點(diǎn)和熔斷閾值開關(guān)俱樂部”的人會(huì)期望，在熔化過程中，任何元素分離都將由靜電驅(qū)動(dòng)，其中Te移動(dòng)到陽(yáng)極，Sb移向陰極。如果只是局部熔化，則會(huì)出現(xiàn)前面描述的更復(fù)雜的PCM混合效果圖像。

　　那么，閾值開關(guān)的耐久性是否也是商用PCM陣列的問題呢？我想，只有英特爾可以回答這個(gè)問題。而來自商用PCM陣列供應(yīng)商的消息有好有壞。另外，除了PCM，還有一些其他新興存儲(chǔ)器技術(shù)。相關(guān)內(nèi)容，我們還會(huì)有相關(guān)文章詳細(xì)闡述。