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可擴展PCM——神話抑或是現實?

上網時間: 2010年10月12日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:相變記憶體  重置電流  電遷移 

試驗預測結果

有些人可能認為,從‘鏈路’元件獲得的結果對垂直‘孔狀’PCM結構來說沒有什麼意義。因此產生了這樣的想法:對於在出版的學術著作中已經出現的垂直‘孔狀’結構來說,可透過使用所有PCM重置電流結果值測試任何‘鏈路’至‘孔’的關聯精密度。

將這些結果收集起來並增加到原始‘鏈路’圖中即形成了圖2。結果為一條平均曲線,而兩側的兩條曲線代表了極端的統計分佈結果。

圖2:作為鏈路和孔狀結構寬度和直徑函數的電流密度組合曲線。
圖2:作為鏈路和孔狀結構寬度和直徑函數的電流密度組合曲線。

這裡需要做一些解釋和警告。對於這些新的曲線,d軸上的值現在是‘孔狀’元件結構的直徑。圖2中的插圖描述了兩種情形,即重置過程的初始熔融核心被高度限制和沒有被限制的情形。當作者提供實際的電流值時,就使用這個值;也有些作者只提供重置電流值,此時可以將製程微影節點作為孔的直徑來運算(J)值。如果使用了次微影製造技術,那麼電流密度將大於運算值,如圖所示。

值得注意的是,對於一組絕緣完善的元件來說,其特性將是圖2中的水準線,也就是恆定的電流密度。(如果要求快速關閉,那就不是實際的元件)

圖2中的統計擴展部份代表著使用不同電介質材料和結構,即熱工程。否則重置電流將很低,因為元件只是稍稍進入低阻狀態,所以需要較低的重置電流。這種模式被認為是不可靠的工作模式。

新的(J)曲線與微影尺寸為5到2xnm之‘鏈路’元件的曲線匯聚。這位作者在這裡冒險建議的是電流密度值、PCM可靠性,否則與它有關的任何其它主動或被動電子元件都是可疑的。它迴避了一個實際問題:PCM的真正未來。

在元件結構重要性越來越高的情況下,也再一次引發了這樣的問題:在電流密度為1至3X10E8 Amps/sq-cm且600℃時熔融硫族化物中,究竟發生了什麼事。

在這個PCM電流密度研究過程中,下一個重要步驟是需要增加圖2中的資料點數。新增結果是從著作中收集後加入的。增加到圖2的最後寬刷點——棕色橢圓是對Numonyx/Micron公司生產之45nm 1Gb PCM展示元件重置電流密度的估計。

三星公司Cho et al的研究結果讓人驚訝,與預測的完全相反。至少有兩組相似的系列元件產生的重置電流密度追蹤圖2所示的兩根直線,似乎背離所期望的尺寸越小、電流密度越高這一趨勢。對於那些關心PCM電流密度問題的人來說,會以非常鼓舞人的方向推斷出更低的直線。隨著微影尺寸的減少,(J)值也隨之減少。對特別感興趣線的推斷,圖2中的直線越低,意味著對微影尺寸在5nm或以下的PCM元件而言,重置電流密度值將是5 x 10E6 Amps/sq-cm。這是否意味著沒有問題?為何又明顯矛盾呢?

電流密度問題已解決?不盡然!

圖3提出了具有不同薄膜厚度之眾多可能鏈路結構中的兩種假設圖(實線)。每條線都有與之相關的第二條相似厚度元件的電流密度曲線(圖3中的虛線和彩色線),不過電極遠離鏈路的主動核心。這些鏈路更長,而且被電極冷卻得不是很好。

圖3:解譯元件熱設計空間想法的簡化圖形。
圖3:解譯元件熱設計空間想法的簡化圖形。

在圖3中,如前所述,隨著鏈路橫截面變成正方形,曲線以不連續的方式垂直轉向上方。也就是說,它們有效地變成了在邊緣轉彎的更薄鏈路。這裡重申一下,可以用一條線連接不同尺寸的所有正方形橫截面元件。對虛線來說同樣適用,在圖3中分別用黃實線和黃虛線表示這兩條線。

圖3的藍線說明了圖2中的直線。藍線追蹤了長度越來越長而寬度越來越窄的一系列正方形橫截面PCM鏈路元件,也就是熱工程。兩條黃線之間的空間也可以描述為PCM熱工程設計空間,具有一定的侷限性。Cho et al完成的工作似乎是製造了長度與直徑之比越來越大的一系列元件。採用這種方法可以達到這一點:任何長度的進一步成長都幾乎不再產生熱優勢。從那時起,微影尺寸的進一步減小將遵循一般性趨勢,以達到圖2中的更高電流密度,並描述為圖3中朝上的藍線。對於圓柱型垂直‘孔狀’結構來說,可以實現相同的熱設計空間。

在高縱橫比有限的元件中可能存在製程良率缺陷。然而,它們仍擁有一項優勢,特別是只有受限制元件的中心核心被切換,而且使用結晶材料部份作為電極。在任何永久結晶的情況下,作為電遷移組合變化的結果,核心區域將產生PCM重置故障,主動區域將沿元件移動。這將導致延長寫入/擦除壽命,因而可以解釋最近對寫入/擦除壽命改善的一些聲明。

電遷移效應

研究並開發出更早一代薄膜PCM元件的工程師們正努力研究具備更高彈性的PCM元件。這種彈性的關鍵基於簡單的事實:採用熔融狀態的硫族化物後,PCM的兩個終端特性顯示了恆定的電壓V-I特徵。在驅動重置電流時,只需要擴大熔融區域,無需對電流密度作任何改變。目前密度在10E6Amps/sq-cm,兩個終端特性是恆定電壓。在很大程度上這些元件是用處於高阻非晶狀態的硫族化物製造的,不是所有非晶材料區域被切換。擴張和收縮的熔融狀態漂浮在非晶材料域中。現在的PCM元件是用處於結晶或低阻狀態的主動材料製造的。在高度受限制的元件中,所有主動材料將被切換。在‘蘑菇’或‘match-head’結構中,結晶材料形成球形電極。

較早幾代的PCM元件都有問題,即使電遷移效應也很明顯。在有把握預測未來微影節點處可能實現更小元件的未來,重置電流和記憶體的開關狀態也可能會產生變化。不過,在進行預測後,電流密度就不再像以前那樣是最主要的問題,因此不會再是主要關注焦點。

遺憾的是,最近有關PCM的文章均專注於可擴展性而不是產品的優勢,並選擇忽略電流密度,並將它作為潛在的一個限制因素。根據上述的結論,電流密度問題以及過去PCM鏈路和現實情況在圖4中用簡單術語進行了總結。

圖4:過去的預測和今天的現實之間的簡單區別。
圖4:過去的預測和今天的現實之間的簡單區別。


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