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

　　當今，Intel/Micron公司的生產的3D XPoint存儲器，就是以相變存儲器為基礎的，然而，在目前的技術發展階段，其使用的耐久性不如預期的好，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領導的研究團隊就實現了PCM w / e次數超過2 x 10E12周期的世界紀錄（ALD-based Confined PCM with a Metallic Liner Toward Unlimited Endurance, Proc IEDM 2016）。截至目前，市場上可買到的PCM存儲器陣列提供的W / e耐久性與之相比，低了約6個數量級。下表來自于另一篇關于此問題的博客文章。

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

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

　　因此，高密度納米晶GST結構是很重要的，這是因為它不允許在沉積期間顯著形成納米空隙，否則其在存儲器切換過程中是可移動的，并且最終在陽極處聚結導致開路裝置故障。

　　另外，還有一個關鍵點同樣重要，那就是使用襯有高阻導電材料的錐形孔結構。

　　IBM的實驗程序和基本結果在上圖中有簡要描述，詳細的TEM分析和EDX光譜分析提供了熔融和結晶GST中變化和不同相關驅動力的獨特視圖。

　　令人驚訝的是，銻（Sb）的運動可能是最嚴重的，因為它的運動創造了允許形成空隙的條件，這會導致設備故障。當然，此外還有另一條形成空洞的路徑：

　　空位→移動納米空隙→空洞聚結→設備故障

　　可見，ALD納米結晶使后者最小化了。

　　然而，即使由于空隙的出現而發生故障也無妨，只要直徑足夠大就可以使通過PCM材料的路徑開路。孔的高電阻導電襯墊允許反向電流脈沖通過，從而使器件愈合。該結果加上成分變化和元素分離的細節得出結論，雙極操作可能是獲得比上圖中所示的2×10 ^ 12個生命周期更長的壽命或耐久性的途徑。

　　下面，我們將詳細探討PCM及其堆疊存儲器陣列中的元素分離的不同驅動力與閾值開關的關系。然后，將繼續討論雙極操作，閾值開關可靠性的影響，以及解決商用PCM存儲器陣列的計算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，下一個步驟是嘗試匯總一下相變存儲材料在不同位置、不同元素的存儲器單元內移動復雜性的所有細節，其在IBM /耶魯的工作中已經披露。雙極操作將成為延長PCM耐久性的手段。

　　在下圖中，中心區域提供了獨特PCM設備結構的圖示：高縱橫比錐形單元，內襯金屬導體。兩態存儲器切換區域（紅色）大致位于錐形的中心。這意味著，當結晶時，GST活性材料充當偽頂部和底部電極。

　　兩個側板（a）和（c）示出了在（a）存儲器RESET期間的熔融GST和（c）結晶狀態下作為驅動劑的不同作用力。據報道，在熔融狀態下，以任何方式移動的兩種元素是碲（Te）和銻（Sb），碲成為負電荷陰離子并向陽極移動，而帶正電的銻（Sb）變成朝向陰極移動的陽離子。兩者都受到靜電力的驅動。

　　由于結構的獨特性，還可以觀察在高電流RESET脈沖期間，晶體GST中發生的情況。金屬中的高電流密度電子風驅動的電遷移通常將材料推向陽極; 對于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，事實證明是這樣的。問題在于靠近陽極的銻的損失會形成可移動的納米空隙并最終進入陽極，它們在那里聚結，使得存儲裝置出現開路故障，從而結束其壽命。

　　下圖取自一套研究中的綜合設備圖像中的一個視圖，其總結了破壞性空隙的形成和與之相對應的元素分離的終點。

　　IBM /耶魯小組報告說，元素的大部分運動在幾個開關周期內非常快速地發生，從而產生偽電極和開關區域的穩定操作位置，這被描述為“成形”過程。似乎在w / e壽命的后期階段中的長期失效 - 關鍵問題在于違規元素的漸近運動，這發生在較早的快速移動之后，并且伴隨著納米空隙向聚結終點的較慢移動。

　　可見，短脈沖、反向脈沖可以修復開路PCM器件，依靠“孔”的金屬襯墊來承載一些電流。因此可以得出結論，雙極操作可以成為實現最長耐久性的途徑。

　　我認為，設計PCM存儲器陣列，在它們遭受空洞故障時修復單元是很麻煩的，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。

　　因為，如所報道的那樣，元素分離的主要部分非常快地發生，那么可以預期在一個方向上的任何小的移動，在相反方向的后續脈沖期間將被反轉。納米空隙永遠不會到達陽極并聚結。當單元按比例縮小以降低成本時，第二個好處是通過徑向擴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ALD高密度納米晶GST的需求，這是個重要的起點。

　　進一步的考慮是PCM SET / RESET脈沖在時間和幅度上是不對稱的：SET脈沖較長，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操作的轉變可能需要一些權衡，以平衡電流密度的差異，以及兩個脈沖之間的元素分離和移動的速率。而另外一些新興存儲器技術則利用對稱寫/擦除脈沖。

　　下面，我們將進一步分析前文討論的元素分離的復雜“圖像”如何適用于閾值開關，即PCM位元素在堆疊存儲器陣列中的“伙伴”，并將繼續探討這項研究對商用設備的可能影響。

　　閾值開關的故障模式

　　雖然閾值開關不是IBM / Yale工作的一部分，但PCM的雙極操作調用的實現意味著需要一個閾值開關，其持久性與存儲器中與之關聯的存儲器陣列的耐久性具有很強的相關性。

　　如果該研究的PCM發現可以應用于今天商用PCM陣列中使用的摻砷GST閾值開關，則閾值開關可能就是導致商用PCM存儲器陣列耐久性差的薄弱環節。

　　我們必須解決的一個難題：應考慮用下圖所示的閾值開關中的哪個版本？是切換時涉及熱點和熔融的那些，還是聲稱是純電子固態切換的那些？對于后者，很難理解在沒有熱點或filaments的情況下，如何能夠觀察到“S”型負電阻特性。

　　無論如何，首先看一下“全固態”的例子。該模型假設閾值開關位于堆疊陣列中的存儲位之上或之下，傳導RESET電流，其熔化位單元材料，而自身不會熔化。

　　現在，GST是一種“p”型材料。為了便于討論，我們假設摻雜砷的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）將向陰極移動并在那里聚集。

　　同時，所有納米空隙將穩定地移動到陽極，導致壽命終止聚結。

　　那么，納米空隙來自哪里呢？對于閾值開關，材料是并且必須以其非晶態沉積。如前文所述，空隙問題與源自晶態的問題密切相關，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，從而繼續導致器件失效。

　　在像摻雜砷得GST這樣的非晶材料中，可以預期會有大量的Te空位存在，因此，由單極脈沖驅動的閾值開關可能會像“聚結空隙”類型的失效一樣受到影響。PCM在IBM /耶魯大學的項目中做過研究。而反對者則需要解釋為什么不。

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

　　那些想要加入“熱點和熔斷閾值開關俱樂部”的人會期望，在熔化過程中，任何元素分離都將由靜電驅動，其中Te移動到陽極，Sb移向陰極。如果只是局部熔化，則會出現前面描述的更復雜的PCM混合效果圖像。

　　那么，閾值開關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問題。而來自商用PCM陣列供應商的消息有好有壞。另外，除了PCM，還有一些其他新興存儲器技術。相關內容，我們還會有相關文章詳細闡述。