無晶體管存儲器技術(shù)解析

是什么讓晶體管替代具有吸引力？

這些發(fā)展背后的驅(qū)動力是內(nèi)存單元面積的減少。存儲器元件可以直接堆疊在一個 “選擇器 ”之上，該選擇器根據(jù)單元上施加的電壓來傳遞或阻止電流。選擇器本身比晶體管小，因為它只是電極之間堆疊的一層。沒有晶體管也消除了直接在硅基板上構(gòu)建存儲陣列的限制，使多層疊加形成 3D 存儲陣列成為可能。此外，通常圍繞著存儲器陣列的電路現(xiàn)在可以放在陣列的下方，進(jìn)一步節(jié)省芯片面積。

閾值的開關(guān)（threshold switching）的簡要說明

閾值開關(guān)以多種形式出現(xiàn)已經(jīng)有一段時間了，但在 1968 年斯坦?！W夫希斯基發(fā)表了他對無序半導(dǎo)體中開關(guān)行為的觀察后得到了特別的關(guān)注。特別是，相變存儲器包括非晶態(tài)硫系化合物的使用，它們表現(xiàn)出以下有趣的行為：

（1）非晶硫族化物直到達(dá)到足夠高的電壓 （達(dá)到閾值電壓（Vth）為止）都保持很高的電阻 ；

（2）達(dá)到閾值電壓時，材料進(jìn)入極導(dǎo)電（“ ON”）狀態(tài)，并且降低了材料兩端的電壓；

（3）材料保持導(dǎo)電狀態(tài)，直到其兩端的電壓降低到 保持電壓 （Vh）以下，該電壓是維持最小保持電流 （Ih）所需的電壓 。此時，它返回到初始高電阻（“ OFF”）狀態(tài)。

這種行為可以用下面的 I-V 曲線來表示：

圖 1 所示。閾值開關(guān)的 I-V 曲線 藍(lán)色：OFF-to-ON 紅色：ON-to-OFF

已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有多種材料可以實現(xiàn)閾值開關(guān)。此外，許多機(jī)制也被發(fā)現(xiàn)與這種開關(guān)一致。

金屬 - 絕緣體轉(zhuǎn)換

電熱效應(yīng)

化學(xué)（離子）物種的運(yùn)動

小極化子的消失

有序到無序轉(zhuǎn)換

無論涉及何種機(jī)制，閾值開關(guān)的特殊特性，特別是“回跳”的發(fā)生，即達(dá)到 Vth 后電壓的突然降低，都會對閾值開關(guān)的使用產(chǎn)生重要影響。

閾值開關(guān)只能用于基于特定電阻的存儲器閾值開關(guān)涉及在相隔幾個數(shù)量級的電流之間進(jìn)行切換。結(jié)果， 與閾值開關(guān)串聯(lián)連接的任何存儲元件也必須能夠傳導(dǎo)相當(dāng)大的電流。這排除了使用絕緣體的普通電荷存儲存儲器，例如 DRAM 或 Flash。相變存儲器是閾值開關(guān)的更常見使用。

閾值開考慮到電流要求由于導(dǎo)通狀態(tài)下的電流浪涌可能非常劇烈，因此必須將與閾值開關(guān)串聯(lián)的限流元件以使電流保持在規(guī)格范圍內(nèi)。這可以是固定電阻，也可以是有源器件，例如二極管或晶體管。此操作的細(xì)節(jié)非常微妙。最初，單元上的電壓全部處于關(guān)閉狀態(tài)的閾值開關(guān)上。一旦接通，開關(guān)上的電壓就會降低，因此電壓平衡必須落在限流元件上。限流元件的 IV 確定流過多少電流。

圖 2. 閾值開關(guān)單元需要一個限流元件，例如電阻器，以限制電流達(dá)到破壞性水平。

讀取電流必須超過保持電流為了保持導(dǎo)通狀態(tài)，閾值開關(guān)必須繼續(xù)通過大于保持電流 Ih 的電流。當(dāng)讀取電阻式存儲元件時，閾值開關(guān)需要為 ON，因此會有最小的讀取電流。

最小讀取電流還對在存儲元件受到干擾（即從一種電阻狀態(tài)意外改變?yōu)榱硪环N電阻狀態(tài)）之前可以讀取該單元多少次設(shè)置了限制。稍后將再次討論。

閾值開關(guān)的啟動

一些閾值開關(guān)需要一個啟動步驟。同樣，閾值電壓從其初始值下降，最終可以恢復(fù)到初始值。這里主要關(guān)注的是它是否下降得足夠多，以至于半選擇單元電壓實際上可以打開閾值開關(guān)。

電壓裕度可能會很嚴(yán)格

由于閾值開關(guān)存儲器單元將排列在一個交叉點(diǎn)陣列中，因此工作電壓將被相應(yīng)地設(shè)計。圖 3 顯示了最常用的半選擇方案，其中與選定單元相同的行或列中的未選定單元必須接收選定單元所接收電壓的一半。

圖 3. 交叉點(diǎn)陣列偏置方案，通過使用閾值開關(guān)存儲單元實現(xiàn)。左：半選擇方案。右：第三選方案。圓圈表示選定的單元格。

在這種情況下，最大單元工作電壓是閾值電壓 Vth 的兩倍。對于第三選擇方案，未選中的單元都將在選中單元上接收+/- 1/3 的電壓。因此，最大工作電壓為閾值電壓 Vth 的 3 倍。注意，讀取和寫入單元的電壓必須落入允許的范圍內(nèi)：（Vth，2Vth）用于半選擇，（Vth，3Vth）用于第三選擇。由于半選擇方案中的讀取電壓將超過寫入電壓的一半，因此讀干擾的可能性極高。即使對于第三選擇方案，在大型陣列中，讀取電壓仍超過寫入電壓的 1/3，仍然構(gòu)成重大風(fēng)險，因為讀取電壓實際上將接近寫入電壓的 40％。為了減輕這種情況，讀脈沖應(yīng)該非常短，絕對比寫脈沖短得多。

基于閾值切換的內(nèi)存成本

最終，一種特定的存儲技術(shù)能否被廣泛接受，取決于它的成本能否有效地降低。閾值開關(guān)提供了一個重要的起點(diǎn)，因為它們比晶體管占用的空間更小。此外，它們不存在通常的晶體管縮放問題，如摻雜引起的短通道效應(yīng)和接觸電阻依賴。一個更大的優(yōu)點(diǎn)是大電流密度（》 10 MA / cm2）。

1X nm DRAM 的單元大小為 0.0026 um2，而 3D XPoint 內(nèi)存的單元大小為 0.00176 um2，這表明閾值切換單元已經(jīng)具有單元尺寸優(yōu)勢。未來 0.02 um x 0.02 um 的單元密度相當(dāng)于 100 層 0.2 um x 0.2 um 的 3D NAND 單元電池，這是目前最先進(jìn)的單元密度。一個更大的 0.04 um x 0.04 um 的單元需要 4 層堆疊才能達(dá)到同樣的密度。因此，將閾值開關(guān)縮放至 10 nm 將極大地推動其成為主流。，如上所述，還需要準(zhǔn)備連接到閾值開關(guān)的基于電阻的存儲元件。因此，用閾值開關(guān)取代存儲器單元中的晶體管，需要廣泛接受基于電阻的存儲器作為電荷型存儲器的替代品。