仅OTS内存为下一代计算带来希望

几十年来，半导体行业一直在寻找替代内存技术，以填补传统高性能计算系统架构中动态随机存取存储器(DRAM)(计算系统的主内存)和NAND闪存(系统的存储介质)之间的空白。

这种替代内存(历史上称为存储级内存)在密度和成本方面应优于DRAM，同时，其访问速度要比NAND闪存快得多。最近，生成式AI等数据密集型应用的激增推动了对这些存储器的需求，因为这些应用需要快速访问大量数据。

1-PCM/1-OTS器件：一种中间解决方案

2015年左右，一种名为3D XPoint的新型非易失性存储器技术对此给出了答案，该技术将相变存储器(PCM)单元排列在字线和位线的“交叉点”处。PCM存储单元由夹在两个电极之间的硫族化合物“相变”材料——例如锗锑碲化物(GeSbTe)制成。这种材料可以在高导电结晶相和低导电非晶相之间快速、可逆地切换，这种电阻对比可用于存储信息。

每个PCM存储单元都与一个选择器串联，用于对阵列中的存储单元进行寻址/选择以进行编程和读取操作，并避免与相邻单元发生相互作用。虽然先前版本的PCM使用晶体管作为选择器，但3D XPoint内存制造商采用了不同的方法：他们使用所谓的双向阈值开关(OTS)器件，该器件由与PCM位单元本身相同类别的材料——硫族化物制成。

这项技术从2017年开始以傲腾(Optane)的品牌名称作为商业产品推出。虽然第一代产品是在DRAM-NAND空白的NAND一侧推出的，但后来的一代产品却被推向了DRAM一侧。这一举措得益于双倍数据速率(DDR)内存接口的同时推出，为PCM内存和内存控制器之间的数据传输提供了急需的速度和带宽提升。

尽管性能有所提高，但该技术仍难以提供所需的速度、功耗和可靠性，因此难以保持其在内存市场上的地位。功耗问题主要来自切换PCM位单元所需的大电流。此外，尺寸和成本也是制约因素。其中一个主要瓶颈来自器件架构本身——位单元和OTS选择器的“串行”组合。

初看之下，1-PCM/1-OTS在成本和面积方面都优于DRAM，这得益于将存储器阵列堆叠在外围电路之上的能力。然而，如果通过缩放位单元和堆叠多个交叉点层来进一步提高密度，这些优势就会逐渐消失。

与PCM位单元串联的附加选择器会导致高纵横比结构，并在每个堆叠的2D平面层中产生昂贵的光刻和图案化步骤。更不用说要实现真正的3D器件，即以类似3D-NAND的方式，通过保形沉积将PCM和OTS材料安装在垂直“壁”上所增加的复杂性了。2022年，该产品退出市场。

OTS选择器：在交叉点阵列中的作用和操作

当PCM等电阻型存储器以交叉点阵列的方式排列时，理想情况下，存储器单元的读写仅发生在所选定的单元上，其余单元不受影响。然而，实际上，在存储器运行过程中，潜伏电流会流过未选定的单元，从而降低选择性，导致信息检索不正确。

因此，可以将选择器(通常是晶体管或二极管)与每个电阻存储器元件串联连接。它们的作用是寻址(或选择)存储器位单元以进行编程/读取，并抑制不期望的潜伏电流。

图1：交叉点架构中选择器(S)的作用以及电阻式存储器元件(R)的示意图。上图中，在没有选择器的情况下，潜行电流会流过未选定的单元，而下图中，将选择器与电阻式存储器元件串联，可防止不期望的潜行电流发生。(来源：imec)

双向阈值开关(OTS)器件可以很好地替代基于晶体管的选择器。OTS器件是以Stanford Ovshinsky的名字命名的，他在20世纪60年代末发现了各种非晶态硫族化物材料中的可逆电开关现象。大约50年后，人们对这些材料产生了浓厚的兴趣，并由此开发出了OTS选择器，即一种夹在两个金属电极之间的OTS材料。

当外加电压超过特定阈值电压(V_th)时，OTS材料的电阻率会快速下降，从而产生大电流。该电流(I_on)用于编程和读取串联的存储单元。阵列中其他器件的偏置电压仅为阈值电压的一半。在此电压下，(由于OTS的行为)，(漏)电流(即I_off)极低，这就防止了对相邻单元进行不必要的编程。

图2：在OTS选择器的典型I-V特性中，在阈值电压的一半时，I_off电流极低，这就防止了与相邻单元发生相互作用。(来源：imec)

与基于晶体管的解决方案相比，OTS选择器具有多项优势。与晶体管这样的三端器件不同，OTS器件是两端器件。这大大节省了面积，实现了更高的密度。OTS器件的制造成本也更低。此外，OTS材料表现出较高的非线性这得益于其在一半阈值电压下的低关断电流，从而实现了高选择性。

此外，它们具有较大的驱动电流(离子)，可以高速运行，并且具有足够高的耐用性。此外，它们还能通过堆叠2D平面阵列来实现3D兼容解决方案，或实现真正的3D解决方案。

得益于过去为实现基于1-PCM/1-OTS的傲腾内存的连续几代产品所做的努力，OTS选择器的性能和可扩展性在过去几年中得到了很大改善。2015年，imec开始研究和开发OTS选择器的改进版本。例如，设计材料堆栈以提高性能和(热)稳定性，开发新的工艺流程，探索3D集成路线，以及研究底层物理机制。

转折点：观察到OTS器件中的存储效应

在尝试确定OTS选择器的切换机制时，imec的研究人员观察到一个有趣的现象。当施加具有一定极性的电压脉冲(即正电压脉冲或负电压脉冲)时，他们观察到，如果前一个脉冲的极性相反，则OTS器件的阈值电压会发生明显变化。

换句话说，阈值电压似乎“记住”了前一个脉冲的极性，即使在几个小时之后也是如此。这一发现为开发“仅含OTS的(OTS-only)存储器”打开了大门，这种存储器利用这种极性引起的阈值电压变化来存储和读取信息。这一概念的美妙之处是什么？在交叉点架构中，这个单一元件既可以充当存储器，也可以充当选择器。

图3：在此显示OTS器件中极性诱导偏移的图表中可看到，如果读取脉冲与写入脉冲的极性不同，则与具有相同极性的写入读取序列相比，阈值电压会更高。(来源：imec)

这种新型存储技术有望克服1-PCM/1-OTS存储器的一些局限性。仅使用一种材料系统进行选择和存储，可使这些器件更容易制造和集成，从而有利于降低成本和提高密度，尤其是在3D配置中。此外，写入器件所需的电流有望大大低于切换PCM单元所需的电流，从而实现更节能的存储技术。

图4：仅OTS存储器的材料系统(右)比制造1S1R单元所需的材料系统(左)简单得多。(来源：imec)

2021年，Imec率先公开报道了基于SiGeAsTe的OTS器件中的这种存储效应。经过更广泛的研究，一种Se基替代材料系统实现了一个1V的实际可用存储窗口，该窗口由阈值电压的变化所定义。

与此同时，其他研究小组也开始报道类似的观察结果，并使用各种名称来描述这种内存：仅OTS内存、自选择内存、自整流内存或无选择器内存。这也导致最近举行的2023年IEDM会议上的投稿数量增加，说明半导体界对这种前景广阔的仅OTS内存技术的兴趣与日俱增。

使仅OTS内存技术适用于CXL内存

几年前，业界通过引入计算快速链路(CXL)互连，进一步支持了内存技术向DRAM-NAND空白的DRAM端发展。这种开放的行业标准互连为高性能计算应用中的内存和处理器之间提供了低延迟和高带宽连接。这也为DRAM-NAND空白中的一类内存带来了新的名称：CXL内存。

虽然OTS器件已针对选择器应用进行了优化，但要适合用作CXL内存，也对该技术提出了新的要求。我们面临的挑战是如何在耐久性、保留时间和功耗之间找到最佳平衡。对于CXL类型的应用，功耗(主要由切换存储器元件所需的电流决定)和耐久性(目标是在发生故障前至少进行10¹²次写入/读取循环)是最关键的参数，同时在保留时间方面则允许有一些折中。

保留时间决定了存储器在不刷新的情况下可以保持明确定义的状态多长时间。对于CXL型应用，保留几个小时或几天就足够了。这意味着必须定期刷新存储的信息，但刷新频率要低于“漏电型”DRAM器件。

Imec的仅OTS内存由夹在碳基底部电极和顶部电极之间的SiGeAsSe OTS材料系统制成。该器件在300mm晶圆上制造，具有可扩展性，易于制造和集成。它们的耐久性大于10⁸个周期，快速读写操作可确保低延迟(读写脉冲短至10ns)，超低写入电流小于15µA(即小于0.6MA/cm²)。

与典型的PCM器件相比，后者相当于降低了约10倍的能耗。半偏置非线性度(NL_1/2)约为10⁴，即使在存储模式下也能提供良好的选择性。极性引起的电压偏移会随着时间的推移而持续，从而实现合理的保留时间(室温下大于1个月)。该存储器可在正负读取极性下工作，分别显示出约1V和0.5V的存储窗口。

图5：所制备出的SiGeAsSe器件的TEM图像以及C基电极。(来源：T-ED)

图6：左图展示了在具有足够大存储窗口的情况下以超低写入电流进行切换，右图展示了两种读取极性的存储窗口与写入电流的函数关系。(来源：T-ED)

材料研究是实现3D集成的途径

上述结果凸显了仅OTS内存在CXL应用中的潜力。因此，imec已确定了进一步研究的关键方向，以推动器件实现工业化应用。

需要进行材料研究有几个原因。首先，当前的OTS材料系统含有As和Se等有毒且不环保的元素。因此，寻找性能与当前OTS材料相当甚至更好的替代性环保材料系统是当务之急。

其次，需要对材料和器件设计进行优化，以提高可靠性，进一步将耐久性提高到大于10¹²级，并降低单元间的差异。此外，可以看到，阈值电压会随时间的推移而漂移，造成周期间的变化并影响保留时间。

可靠性的提高与对决定仅OTS内存极性效应的物理机制的基本了解密不可分。到目前为止，这种机制还不完全清楚。了解阈值电压偏移的原因对于解释和预测观察到的故障以及确定限制器件性能的基本权衡至关重要。

图7：以真实3D架构展示的仅OTS存储器的动画。(来源：imec)

最后，imec正在探索实现真正3D集成的途径，这将是提高下一代计算系统架构内存位单元密度所必需的。

Daniele Garbin是一名研发工程师，研究方向为OTS和各种新兴存储器件技术。

Gouri Sankar Kar是imec内存副总裁兼探索性逻辑项目总监。

（原文刊登于EE Times姊妹网站EDN，参考链接：The promise of OTS-only memories for next-gen compute，由Franklin Zhao编译。）

本文为《电子工程专辑》2024年8月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。