用于三维可堆叠相变存储器的选通管外文翻译资料

 2022-08-28 14:14:09

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用于三维可堆叠相变存储器的选通管

选通管的高电流密度开关性能已经成功地实现了高密度三维(3D)堆叠相变存储器在英特尔3D Xpoint技术中的商业化。这弥补了动态随机存取存储器(DRAM)和闪存之间巨大的性能差距。与相变存储器类似，选通管使用的是基于硫系化合物的材料，但是相变存储器可以在高电阻非晶相和低电阻晶相之间可逆切换，而选通管的可逆操作始终处于材料的非晶相状态。本文综述了近年来选通管材料及其器件性能的研究进展，特别是电流密度和开关比，讨论了选通管器件在与相变存储器集成中的优点和挑战。我们介绍了用于解释选通管行为理论模型的演变，包括热失控，磁场诱导的成核以及电荷载流子的产生与复合。

引言

计算机不仅深刻地改变了我们的生活，还为社会上一些从分析大数据到理解人类语言中最紧迫的挑战提供了解决方案。为了满足未来的需求，它需要更快的计算能力和更大容量的数据存储[1],[2]。然而，在当前计算机的存储体系架构中，易失性静态随机存取存储器/动态随机存取存储器(SRAM/DRAM)与非易失性Flash（闪存）存储器之间的巨大性能差距(图1a)已经成为其进一步发展的关键瓶颈[3],[4]。从2008年起，IBM提出了存储级内存这一概念，它描述了可能最终取代闪存甚至是DRAM的新兴内存技术，以弥合这一差距[4]-[7]。

相变存储器是一种基于硫系化合物的利用高阻非晶相和低阻晶相之间物理结构可逆变化的存储器，是存储级内存最有希望的候选者[8]-[10]。事实上，英特尔于2015年发布的商用相变内存3D Xpoint（图1b）展示了介于DRAM和闪存之间的存储设备性能，包括运行速度，设备寿命和存储密度[11],[12]。

为了实现闪存的最高4F2 (F =特征尺寸)密度，相互交叉阵列结构是最具潜力的器件架构，它也被用于3D Xpoint中(图1c) [11],[12]。这种器件结构通常使用“半压”方案进行操作，在该方案中，将读取电压应用到目标相变存储单元，而阵列中的其他线路则保持一半的电压偏置。然而，与选定单元(半选定单元)在同一行或同一列的相邻单元会变为半偏置状态，并且可能产生未知的电流，称为“漏电流”[13]。这就减少了读出宽容度(1和0状态之间的总电阻差)，增加了功耗，并限制了阵列的大小。如图1c所示，非线性开关(如选通管)连接到每个相变存储单元，以抑制来自半选择单元的漏电流。即当只施加一半的读电压时，流过选通管的电流超低(关闭电流，Ioff)。当施加全读取电压时，超过选通管的“开启”阈值电压（Vth），流过选通管的高电流（开启电流Ion）足以驱动选定的目标相变存储单元。

图1.(a)当前计算机存储体系结构中的性能差距。(b)英特尔2015年发布的3D Xpoint内存照片。(c) 3D Xpoint存储器的1S1R可堆叠交叉结构，显示一个选择的高阻状态的存储单元(1)。(d) Ovonic阈值开关(选通管) 相变存储器(PCM)在3D堆叠交叉点阵列由英特尔在2009年报道。插图突出了一个集成的存储单元，由一个选通管和一个PCM单元组成。(e) PCM器件的电压-电流曲线，显示ovonic记忆开关行为。(f)与PCM不同的选通管器件的电压-电流曲线。备注：S-选通管，M-相变存储器，CPU-中央处理器，SRAM-静态随机存取存储器，DRAM-动态随机存取存储器。

目前为止，已经提出了几种候选驱动管，包括硅基二极管/金属氧化物半导体的场效应晶体管(MOSFET) [14],[15]， Ovonic阈值开关(选通管) [16]， Mott -绝缘体过渡(MIT) [17]，导电桥阈值开关(CBTS) [18]，场辅助超级衬里阈值(FAST)选择器[19]。然而，要将驱动管与相变存储器集成在一起，有一些基本要求，其中最重要的参数包括，驱动管的驱动电流密度gt;10 MA/cm2，得以实现熔化-淬冷相变存储器的硫族化物；其非线性或开关比（定义为Ion/Ioff）应大于104以满足超过1 Mb的相变存储器阵列模块的操作；由于相变存储器的器件循环寿命大于106次，因此驱动管的开关次数必须超过106次；驱动管的开关时间也必须控制在100ns以内，以实现与相变存储单元相匹配；驱动管的制备工艺必须与相变存储器工艺兼容。工艺过程中应避免产生高温薄膜沉积，否则会导致硫族化合物的相偏析。驱动管的非线性特性应能承受生产线后端工艺中可能至少30分钟的450°C高温，在该过程中需要制备金属导线和绝缘层。截止目前为止，大多数候选的驱动管都不能满足其中一个或多个要求。其中，选通管能够提供高的开启电流且与相变存储器兼容，已成功用于3D可堆叠相互交叉相变存储器（如Intel在2009年报告的那样）（图1d）以及3D Xpoint。

有趣的是，选通管采用了硫系材料，这也是相变存储器的核心存储材料。通过采用具有不同化学计量比的硫属元素化合物，这些器件表现出明显不同的电子行为，如图1 e- f所示，选通管和相变存储器件分别表现出不同的电子行为。当达到Vth时，两个单元均显示负差分电阻行为，且流过mA规模的大电流。当逐渐去除电压时，相变存储单元具有高导电性(电阻为102 ~ 104欧姆)，并表现出欧姆特性，而选通管单元保持在一定电压(Vhold， 0 lt; Vhold lt; Vth)。相变存储器的电阻急剧下降是由于产生了非晶态硫族化物膜的结晶，通常是GeTe、Sb2Te3,或者GeTe-Sb2Te3 伪（准）二元合金(图1e) [20],[21]。相变存储器的电流-电压的电学行为被称为ovonic存储效应(OMS)。相比之下，选通管单元会保留在非晶态，这些器件通常基于GeSe硫属化合物(图1f)。

迄今为止，人们提出了两种说法来解释这种差异[13]。第一种解释是，选通管材料的结晶温度一直很高，而结晶速度极低，因此在热波动的影响下仍然可以保持完整。OMS (GeTe合金[22])中Ge-Te二元合金的性能变化到选通管 (GeTe6合金[23])随着Te浓度的增加支持了这一解释。另一种解释是基于键合机制，相变存储材料具有独特的成键机制，即金属共价键成键，而选通管采用传统常规的共价成键(见本期Pries等人的文章) [24],[25]。

本文首先讨论了选通管材料的演化，尤其是2009年之后发现的选通管材料，我们总结了他们的器件性能。最后，我们将重点讨论选通管的潜在转换机制。

新兴选通管材料

选通管现象最早是由Noverthover和Pearson于1964年在As-Te-I系统中观察到的[26]。两年后，Ovshinsky也在他的专利中描述了这种现象和可能的器件结构[27]。1968年，他报告了Te48As30Si12Ge10硫属化物的选通管行为，并注意到去除As会导致OMS行为[28]。随后，几名研究人员继续研究选通管，1970年提出了把OTS作为驱动器与相变存储器集成驱动器的想法[29]。2009年，OTS选通管单元的三维可堆叠交叉相变存储器阵列的突破性成就重新点燃了人们对选通管的兴趣[16]；所使用的选通管材料至今尚未公开。从那时起，提出了许多选通管材料[11],[12],[23],[30]-[52] ，如图2所示。

第一个开发的材料系列是基于Te的合金，以掺杂有Si和N([31]-[34])等元素的Ge-Te[23],[31]为代表，如图2所示。这些材料的特点是切换时间短。例如，GeTe6[23]和Ge-As-Te-Si-N[33] 选通管显示的开关速度小于5 ns。此外，据报道，B-Te[35]和C-Te[36] 选通管可以在2 ns内开关。第二种材料是硒基合金，在这种合金中，添加锗是必不可少的[2],[37]-[43]。如图2所示，Ge-Se 选通管以低Ioff值和良好的热稳定性而受到越来越多的关注。通常采用N、As、Si和Sb来加强它的这些优势[38]-[43]。As和Si掺杂被认为是3D Xpoint中使用的选通管材料[11],[12]。在某些情况下，Te和Se都掺杂在选通管里，例如Ge-Se-Te-As-Si合金[44]。从图2中可以看出，选通管材料的成分随着时间的推移变得越来越复杂，使用了五个或更多元素。这对于在整个硅晶片上实现精确的化学计量是一个重大挑战。 即便可以很好地控制好所制备的材料组分，但在反复多次的强电场作用下，不同原子向正电极或负电极的电迁移也最终会改变其化学计量比，从而影响到器件的寿命。

图2.2009年以来新兴的ovonic阈值开关(选通管)材料的发展[11],[12],[23],[30]–[52]。红星标志着英特尔在2009年取得了选通管元件的3D可堆叠交叉相变存储阵列的突破性成就；使用的选通管材料仍然是未知的。

选通管性能

使用不同的材料，选通管会表现出不同的性能。在这里我们总结了新兴选通管器件的器件性能（如表1所示）以及有利于3D集成的相变存储单元。如前所述，较高的导通电流密度（Jon）和开关比对于与相变存储单元进行3D集成是有利的。 通常，基于Te的选通管的Jon值大于1 MA / cm2。 例如，Ge-As-Te-Si-N 选通管的Jon为11 MA / cm2[32],[33]。然而，这些器件表现出lt;104的低开关比，不足以实现高密度(gt;1Mb)相变存储器阵列[45],[46]。值得注意的是，使用Te二元合金(如Si-Te,[47] C-Te,[36]和B-Te[35])的选通管已经证明了Jon gt; 10 MA /cm2 ，开关比gt;105。在这些器件中，B-Te 选通管在文献中具有最高的Jon，为55 MA /cm2[35]。此外，据报道，其循环特性超过108次，热稳定性高达450°C。

如表1所示，基于Se的选通管通常只有MA/ cm2量级的Jon，尽管也有报道未掺杂和N掺杂的Ge-Se 选通管的Jon大于20 MA / cm2[39],[43]。值得注意的是，它掺砷的Ge-Se 选通管的循环特性gt; 6times;1011次[44]。此外，基于Se的超高非晶电阻选通管的特征还在于，Ge58Se42和As掺杂的Ge-Se 选通管的Ioff低至〜0.1nA[41],[44]。对于使用相同材料的选通管，据报道其Jon和开关比会存在一定差异，这可能是由于器件结构、电极尺寸和制造工艺的不同所致[48]-[52]。

图3显示了Jon对于基于Ge-As-Te-Si-N的选通管的可微缩性，正如Lee等人报道的那样[32]。Bez发现，对于500times;500 nm2的单元，Jon为0.039 MA / cm2，比操作相变存储单元所需的Jon小10倍[53]。幸运的是，选通管的Jon随着器件尺寸的微缩呈指数增长。尽管发现用于操作相变存储单元的电流密度的微缩行为相似，但其增长速度比选通管的低很多。 随着器件尺寸缩小至20times;20 nm2，选通管的Jon有望达到22 MA / cm2，足够用来提供PCM的单元编程[32]。

表1. 不同材料的ovonic阈值开关器件性能总结[23],[32]– [52]

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材料

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开关比

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