去年年底，權(quán)威行業(yè)會(huì)議IEDM再一次為電子器件行業(yè)提供了全面且突出的內(nèi)容，并為那些對(duì)堆疊或3D非易失性存儲(chǔ)器陣列的未來(lái)感興趣的人，在各種薄膜存儲(chǔ)器選擇器或矩陣隔離器件（MID）方面給出了許多重要的論文和演示。

更重要的是，因?yàn)殡S著向存儲(chǔ)級(jí)內(nèi)存（SCM）和持久性存儲(chǔ)器（PM）應(yīng)用方向發(fā)展的堆疊存儲(chǔ)器陣列持續(xù)獲得動(dòng)力，對(duì)于非易失性存儲(chǔ)器陣列來(lái)說(shuō)，薄膜選擇器很可能是確定許多不同類型的性能和可靠性的關(guān)鍵器件。在這樣的應(yīng)用中，一個(gè)重要的、但被知之甚少的變量是選擇器形成電壓及其導(dǎo)致操作器件閾值電壓的結(jié)構(gòu)變化，在我看來(lái)，我們?cè)谶@方面還需要了解更多的細(xì)節(jié)才行。

隨著存儲(chǔ)器陣列進(jìn)入3D時(shí)代，它也遠(yuǎn)離了相對(duì)容易接近的硅表面上的器件“舒適區(qū)”。二極管或晶體管不再可用作選擇器選項(xiàng)，因此，閾值開(kāi)關(guān)器件成為了選擇器的明智選擇，當(dāng)然，其它非線性器件也是一種選擇，并且在某些情況下，選擇器甚至可能是存儲(chǔ)器件本身的非線性傳導(dǎo)特性。另一個(gè)重點(diǎn)是：許多薄膜存儲(chǔ)器件ReRAM和CbRAM需要雙向電流或電壓進(jìn)行寫入和擦除。

雖然基于硫族化物的PCM存儲(chǔ)器件可以并且通常僅用單向電流操作，但是最近的研究表明：如果使用閾值開(kāi)關(guān)IV特性的第一和第三象限切換它們，也可以改善耐久性。

在IEDM上，Leti / CEA在IEDM會(huì)議前一天晚上與存儲(chǔ)器workshop展開(kāi)了令人印象深刻的存儲(chǔ)技術(shù)探討，并在IEDM期間發(fā)表了一篇題為“Optimized Reading Window for Crossbar Arrays Thanks to Ge-Se-Sb-N based OTS Selectors ”的會(huì)議論文，（A.Verdy等，CEA Leti MINATEC，論文集，IEDM 2018）。在她的workshop演講中，Leti的高級(jí)計(jì)算技術(shù)營(yíng)銷戰(zhàn)略總監(jiān)Marie-Clare Cyrille博士也是Leti關(guān)于選擇器的會(huì)議論文的共同作者，他介紹了許多與非易失性存儲(chǔ)相關(guān)的主題，評(píng)估了不同的內(nèi)存選擇器選項(xiàng)的相對(duì)優(yōu)點(diǎn)，并試圖為這些新技術(shù)和產(chǎn)品帶來(lái)一些訂單。

她的一張幻燈片給出了下面表格中所示的不同成分選擇器的三個(gè)重要屬性的性能對(duì)比情況。她強(qiáng)調(diào)了Leti / CEA / MINATEC團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)和優(yōu)化GeSbSeN（GSSN）組合選擇器方面所取得的成功，聲稱他們已經(jīng)在選擇器性能方面取得了最佳效果，特別是在預(yù)切換漏電流方面，這對(duì)大容量存儲(chǔ)器陣列至關(guān)重要，具體如下表中突出顯示的列。

該表介紹了選擇器退火時(shí)間和溫度的重要制造變量。這些是在沉積之后，選擇器薄膜必須承受的，用以獲得所需的時(shí)間和溫度。那些遵循硫族化物存儲(chǔ)器的人會(huì)知道，即使在室溫下退火也會(huì)增加斷態(tài)電阻和閾值電壓，這通常被稱為漂移，會(huì)導(dǎo)致某些操作協(xié)議出現(xiàn)問(wèn)題。

基于本文所述的GeSbSe（GSS）和GeSbSeN（GSSN）選擇器的摻雜和工程條件下對(duì)鍵合結(jié)構(gòu)的一些精彩、詳細(xì)的分析，Leti不僅可以改善結(jié)構(gòu)完整性，該組織還能將原子結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵電氣特性聯(lián)系起來(lái)。他們對(duì)拉曼光譜和Ge-N吸收帶的檢查表明，在沉積薄膜之后，氮摻雜原子隨機(jī)地穿過(guò)薄膜。在400℃下退火30分鐘使結(jié)構(gòu)均勻化，形成Ge-Nx鍵。

他們?cè)敿?xì)的結(jié)構(gòu)分析表明，單極Sb-Sb和Se-Se鍵是不可取的，而Ge-Se和Sb-Se鍵是最有益的。這些有益鍵的形成需要正確水平的Sb和氮摻雜。

通過(guò)改變成分，可以解決高且不可接受的形成電壓?jiǎn)栴}，Leti稱之為“火”電壓。如果以非晶態(tài)制造，則基于硫族化物的存儲(chǔ)器件也具有形成電壓。然而，成形電壓不會(huì)被視為一個(gè)問(wèn)題，甚至在因?yàn)樾枰谶@些器件中形成而“指責(zé)”ReRAM時(shí)更是如此。其原因在于硫族化合物存儲(chǔ)器件通常以結(jié)晶或?qū)щ姞顟B(tài)制造，并且在器件操作中僅涉及較低的工作閾值電壓。然而，選擇器必須在高阻態(tài)下制造，并且希望它們可以永遠(yuǎn)保持在該狀態(tài)。

必須優(yōu)化五個(gè)參數(shù)以使選擇器適用于大型SCM陣列：

形成閾值電壓;

工作閾值電壓;

形成漏電流;

工作漏電流

保持電流

為了簡(jiǎn)化和說(shuō)明形成電壓和工作電壓之間的差異，這里轉(zhuǎn)載一下Leti演示的更詳細(xì)的圖形的基本元素，如下圖所示。

如圖所示，GSS和GeSe合金具有許多特性，使它們成為選擇器的良好選擇，但問(wèn)題在于它們具有不可接受的高成形和操作閾值電壓以及結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性。

通過(guò)正確選擇氮摻雜和Sb含量的組合，可以實(shí)現(xiàn)形成電壓和工作電壓的最小且可接受的值。使用20％的Sb并且N摻雜水平保持合適水平（專有且保密的）時(shí)，閾值電壓降低至2.25V，并且形成電壓降至3.75V，差值為1.5V。

有趣的是，推測(cè)形成過(guò)程可能涉及分子水平。如果形成電壓和工作電壓之間的比率作為厚度的函數(shù)是恒定的，則表明膜的整個(gè)主體已經(jīng)以某種方式被修改。然而，如果它與薄膜厚度無(wú)關(guān)，那么就開(kāi)辟了許多可能性，例如：

一些金屬 - 非晶半導(dǎo)體界面結(jié)已被破壞；

一些材料在薄膜的某處結(jié)晶；

形成高電阻納米絲狀區(qū)域，導(dǎo)電絲在切換后膨脹。

Leti論文探討了閱讀操作的兩個(gè)規(guī)則。第一個(gè)涉及存儲(chǔ)器單元中的兩個(gè)器件的閾值電壓的相對(duì)值，即存儲(chǔ)器和選擇器。一個(gè)選擇器的閾值電壓高于存儲(chǔ)器的閾值電壓，另一個(gè)是相反的情況。根據(jù)第二規(guī)則，為了避免PCM干擾的可能性，在讀取操作期間，存儲(chǔ)器件在處于其高電阻狀態(tài)時(shí)不得切換狀態(tài)。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，從電路的角度來(lái)看，存儲(chǔ)器單元中的兩個(gè)器件可以被認(rèn)為是一個(gè)器件作為另一個(gè)器件的電阻性負(fù)載，且負(fù)載線可以用于分析電路。我們可以使用上面顯示的顏色約定來(lái)實(shí)現(xiàn)：藍(lán)色代表PCM內(nèi)存元素，紅色代表交叉點(diǎn)陣列中的選擇器。

下圖中，概述了兩個(gè)示例，說(shuō)明PCM處于復(fù)位狀態(tài)的負(fù)載線（藍(lán)色曲線）如何用于定義存儲(chǔ)器讀取窗口的上限和下限電壓限制，用綠色箭頭表示。對(duì)于每個(gè)電壓，電路的穩(wěn)定點(diǎn)用黃點(diǎn)標(biāo)記。讀取電壓將定位為這兩個(gè)極限之間的中點(diǎn)，并由電壓軸上的紅色箭頭標(biāo)記。

任何通過(guò)增加超過(guò)上限的電壓來(lái)增加讀取窗口寬度的嘗試都會(huì)導(dǎo)致選擇器的電流超過(guò)其閾值切換電流（黃點(diǎn)移動(dòng)到紅色曲線的虛線部分），并且選擇器將切換。應(yīng)避免切換選擇器，因?yàn)樗鼤?huì)增加PCM讀取干擾的可能性和錯(cuò)誤的讀取電流。讀取窗口的寬度旨在處理與溫度和其他陣列設(shè)計(jì)變量相關(guān)的所有變量。

在下圖中，概述了當(dāng)PCM處于未成形的“As-Fabricated”狀態(tài)時(shí)發(fā)生的問(wèn)題：這里，紫色曲線示出了選擇器在其未形成狀態(tài)下具有較高“火”或形成閾值電壓的閾值前切換特性，而紅色曲線示出了形成的選擇器的行為，如上圖所示。該圖還包括與處于復(fù)位狀態(tài)的PCM相同的藍(lán)色PCM負(fù)載線（藍(lán)色曲線），如上圖所示；在該圖示中，藍(lán)線已經(jīng)移動(dòng)到施加讀取電壓Vr的位置。要完成兩種存儲(chǔ)狀態(tài)的圖像，同一圖形現(xiàn)在包括PCM在其設(shè)置或低電阻狀態(tài)下的黑色曲線。請(qǐng)注意，這里使用了與Leti論文中示例相同的電壓：選擇器的閾值電壓為1.5V，讀取電壓為3V，形成電壓和工作電壓之差為1.5V。

當(dāng)讀取PCM的兩個(gè)不同數(shù)據(jù)狀態(tài)時(shí)，兩個(gè)綠色標(biāo)記點(diǎn)將是正常操作的兩個(gè)讀取電流或電壓電平，設(shè)置存儲(chǔ)器單元的較低串聯(lián)電阻將導(dǎo)致選擇器已切換，致使電流升高，如上面的綠色標(biāo)記所示。

從該圖中可以清楚地看出，表示選擇器未成形狀態(tài)的紫色曲線是讀脈沖施加的不允許檢測(cè)PCM的置位狀態(tài)。兩個(gè)PCM存儲(chǔ)狀態(tài)（兩個(gè)黑色標(biāo)記點(diǎn)）的穩(wěn)定點(diǎn)的電流幾乎無(wú)法區(qū)分。而增加讀取窗口寬度則會(huì)帶來(lái)不希望看到的選擇器切換，以及相關(guān)的讀取干擾問(wèn)題。

雖然有可能在寫入時(shí)處理這種情況，但這會(huì)排除任何寫入時(shí)間和耐久性讀寫前讀寫協(xié)議，因?yàn)閷?duì)于低電阻狀態(tài)的存儲(chǔ)器來(lái)說(shuō)，任何未經(jīng)形成的選擇器總是會(huì)給出HRS（高阻態(tài)）結(jié)果。

看似顯而易見(jiàn)的解決方案是減小選擇器的厚度以降低形成和操作閾值電壓，但是這樣做會(huì)增加漏電流，這是我們不希望看到的。

Leti提供的與形成相關(guān)的讀取問(wèn)題的唯一解決方案是最小化形成電壓。在選擇器的另一端，在同一個(gè)IEDM會(huì)議期間，IBM研究部的An Chen在他的論文中探討了使用非線性選擇器的大型交叉矩陣陣列建模：具有非線性選擇器的交叉開(kāi)關(guān)陣列的高效和可擴(kuò)展模型（A highly Efficient and Scalable Model for Crossbar Arrays with Non-linear Selectors，An Chen，IBM Research Division，San Jose，Proceedings，IEDM 2018）。我和他通過(guò)電子郵件，一起探討了他沒(méi)有處理或提及任何選擇器形成問(wèn)題的原因：

“我的論文討論了非線性選擇器的一般建模方法（包括閾值切換類型）。雖然并非所有易失性開(kāi)關(guān)選擇器都需要成形，但在一些報(bào)告的、基于OTS的選擇器中觀察到成形是非常好的。我的論文中提出的計(jì)算沒(méi)有具體涉及成形，但該模型也可以處理成形步驟。為了給crossbar 陣列建模，在形成步驟中描述了具有與以下循環(huán)不同的電參數(shù)的選擇器。crossbar陣列電路會(huì)受到成形的影響，因?yàn)樵诘谝粋€(gè)和后一個(gè)周期中涉及不同的器件參數(shù)。根據(jù)存在差異數(shù)量，成形可能是一個(gè)艱難的挑戰(zhàn)，但在操作范圍內(nèi)可以容忍小的差異?！?/p>

西部數(shù)據(jù)公司和亞琛（Aachen）大學(xué)在IEDM上有一個(gè)演講，主題為：Forming free Mott-Oxide threshold selector nanodevice showing S type NDR with high endurance (10^12 cycles), excellent Vth stability (<5% ), fast (<10ns) switching and promising scaling properties（T Hennen等人，Aachen University＆Western Digital，Proceedings，IEDM 2018），其提供了一種無(wú)成形（V（1-x）Cr x）2 O 3薄膜選擇器器件，其IV特征具有穩(wěn)定的閾值后開(kāi)關(guān)負(fù)電阻區(qū)域。這些是具有上鉑電極的大面積（250×250nm）器件。該演示文稿提出了10ns的切換時(shí)間，10 10個(gè)開(kāi)關(guān)周期的耐久性和出色的閾值電壓穩(wěn)定性。

現(xiàn)在已經(jīng)可以確定的是：熱效應(yīng)在閾值和導(dǎo)通狀態(tài)下分別以350°K和500°K的溫度進(jìn)行閾值切換。模擬表明，通過(guò)縮放可以降低漏電流。

關(guān)于成形，亞琛大學(xué)-西部數(shù)據(jù)團(tuán)隊(duì)確實(shí)提供了一些很有意義的幫助，這與在某些操作條件下VCrO器件用作具有兩個(gè)不同閾值電壓作為存儲(chǔ)器狀態(tài)的一次性可編程非易失性存儲(chǔ)器的能力有關(guān)。研究人員提出，細(xì)絲高阻傳導(dǎo)路徑可以實(shí)現(xiàn)下閾值狀態(tài)，它可以作為閾值后開(kāi)關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)徑向擴(kuò)展的起始點(diǎn)。

結(jié)語(yǔ)

也許（我希望）我在這里做的評(píng)論可以促進(jìn)一些研究生，甚至Leti / CEA / MINATEC或IBM研究選擇器形成電壓和器件厚度之間的關(guān)系，并揭示結(jié)構(gòu)上發(fā)生的變化，以確定它是否是一個(gè)體效應(yīng)，表面效應(yīng)，甚至形成起始或絲狀結(jié)構(gòu)變化。對(duì)如何形成選擇器缺乏清晰的理解可能會(huì)限制這些器件的可靠性和耐用性。這可能將是IEDM 2019期待的事情。

如果可以理解在形成選擇器期間實(shí)際發(fā)生了什么，以及使其反轉(zhuǎn)的方法，則可以將閾值開(kāi)關(guān)用作存儲(chǔ)器。然后，兩個(gè)不同的閾值電壓將是存儲(chǔ)器狀態(tài)，并且可能消除對(duì)高電流復(fù)位脈沖，甚至選擇器的需要。

最后看一下英特爾，其3XPoint和Optane產(chǎn)品必須解決與其摻雜砷的GST閾值開(kāi)關(guān)相關(guān)的成型問(wèn)題，因?yàn)槲业膸в蠴ptane存儲(chǔ)器的家用計(jì)算機(jī)在使用新存儲(chǔ)部件時(shí)都沒(méi)有任何問(wèn)題。使用板載控制器，可以實(shí)現(xiàn)隱形滾動(dòng)預(yù)測(cè)寫入方案，該方案可以處理任何選擇器形成問(wèn)題。關(guān)于Optane，必須考慮計(jì)算單元耐用性差，以及與選擇器形成有關(guān)的一些折衷的可能性。