The Microelectronics Training Center, IMEC v.z.w.
www.imec.be/mtc
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Dipartimento
Elettronica
Informazione
PCM memories: an overview
Andrea L. Lacaita
Dipartimento di Elettronica e Informazione
Politecnico di Milano & IUNET
Nov. 26, 2008
Outline
Dipartimento
Elettronica
Informazione
PCM concept and basic operation
Modeling
Switching
Set/Reset programming
Cell structures and scaling perspectives
Reliability issues
Retention, Drift
Conclusions
DEI Politecnico di Milano
MTC 2008 : PCM Memories: An overview
IMEC© 2008
-2-
Andrea L. LACAITA
Andrea L. Lacaita
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Phase Change Memory
Dipartimento
Elettronica
Informazione
1970
Die: 122 mil X 131 mil
Capacity: 256 bits
Reset: <200 mA,< 25V, 5 ms
Set: 5 mA, ~ 25V, 10 ms
Read: 2.5 mA, < 5V
“Nonvolatile and Reprogrammable,
the Read-Mostly Memory is Here,” R.
G. Neale, D. L. Nelson, and Gordon E.
Moore, Electronics (Sept. 1970) p. 56.
DEI Politecnico di Milano
-3-
Andrea L. LACAITA
Chalcogenide Alloys
IVA VA
VIA VIIA
C N
O F
Si P
S Cl
1970
Dipartimento
Elettronica
Informazione
Xerography
DVD-RW
CD-RW
1990
Ge As Se Br
Sn Sb Te I
Pb Bi Po At 2000
Chalcogens
DEI Politecnico di Milano
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Memories
OUM (Ovonic Universal Memory)
PCM (Phase Change Memory)
PRAM (Phase-change RAM)
-4-
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Storage Element
Dipartimento
Elettronica
Informazione
Top electrode
Active region
Crystalline GST
(Ge2Sb2Te5)
Resistor
Bottom electrode
DEI Politecnico di Milano
-5-
Sensing Mechanism
Andrea L. LACAITA
Dipartimento
Elettronica
Informazione
Set “1”
Crystal
Low resistance
I
Reset “0”
Amorphous
High resistance
V
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-6-
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SET to RESET
Current
Dipartimento
Elettronica
Informazione
Set
Im
Time
Reset
DEI Politecnico di Milano
-7-
RESET to SET
Current
Andrea L. LACAITA
Dipartimento
Elettronica
Informazione
Reset
Im
Ix
Time
Set
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-8-
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Dipartimento
Elettronica
Informazione
IV curve
0.75
Current [mA]
Crystal
Amorphous
Key effect for low voltage
operation
0.50
Threshold field (Vth/d)
0.25
The lower the threshold
field the better
Vth
0.00
0.0
0.5
1.0
1.5
Voltage [V]
DEI Politecnico di Milano
-9-
Programming Curve
Andrea L. LACAITA
Dipartimento
Elettronica
Informazione
6
10
Resisstance [Ω]
Crystal
Amorphous
Set
5
10
4
10
3
10
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
Programming Current [mA]
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Reset
- 10 -
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Dipartimento
Elettronica
Informazione
Resistance loss
1)
1)
2)
2)
3)
3)
DEI Politecnico di Milano
- 11 -
Andrea L. LACAITA
Dipartimento
Elettronica
Informazione
Temperature dependence
10
10
9
10
10 years
Crystallization Time [s]
8
10
7
10
110 °C
6
10
5
10
4
10
3
10
2
10
1
10
20
22
24
26
28
30
32
34
-1
1/kBT [eV ]
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- 12 -
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Dipartimento
Elettronica
Informazione
Material selection rules
Memory
window
resistivity of
amorphous phase
high
(0.3 MOhm.μm)
Reset Power
resistivity of
crystalline phase
melting
temperature
high
(350 Ohm.μm)
Retention
Bias voltage
DEI Politecnico di Milano
low (621oC)
crystallization
temperature
high (155oC)
activation energy
high (2.6-2.9eV)
threshold field
low (30-40 V/μm)
- 13 -
Andrea L. LACAITA
Material options
Dipartimento
Elettronica
Informazione
Sb2Te3-GeTe GeTe-InTe
higher amorphous stability, better retention
higher maximum operating temperatures
slower
O/N doped GST
higher resistivity
lower current
Doped SbTe, GeSb
fast growth materials
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- 14 -
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Summary
Dipartimento
Elettronica
Informazione
Beyond the capacitive concept
Fast write (set/reset) and read
Medium/low voltage write
Supply (threshold field)
Power consumption (melting temperature)
Retention (cristallization temperature, activation energy)
Window (resistivity change)
DEI Politecnico di Milano
- 15 -
Outline
Andrea L. LACAITA
Dipartimento
Elettronica
Informazione
PCM concept and basic operation
Modeling
Switching
Set/Reset programming
Cell structures and scaling perspectives
Reliability issues
Retention, Drift
Conclusions
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- 16 -
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PCM Physics and Modeling
¾
Cell programming
I-V curves of both phases
¾
¾
Dipartimento
Elettronica
Informazione
Threshold switching
Self-heating
¾
¾
melting/quenching
a-x transition
Electro–thermal & phase change model
DEI Politecnico di Milano
- 17 -
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Set to reset transition
Dipartimento
Elettronica
Informazione
Current
IR
Im
Time
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- 18 -
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Dipartimento
Elettronica
Informazione
Electro-thermal simulation
SiO2
GST
Heater
50 nm
I=400 μA
SiO2
IR
Im
DEI Politecnico di Milano
- 19 -
Andrea L. LACAITA
Dipartimento
Elettronica
Informazione
Electro-thermal simulation
SiO2
GST
Heater
50 nm
I=500 μA
SiO2
IR
Im
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Dipartimento
Elettronica
Informazione
Electro-thermal simulation
GST
50 nm
I=600 μA
GST
SiO2
Heater
SiO2
IR
Im
DEI Politecnico di Milano
- 21 -
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Dipartimento
Elettronica
Informazione
Electro-thermal simulation
GST
50 nm
I=800 μA
GST
SiO2
Heater
SiO2
IR
Im
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Dipartimento
Elettronica
Informazione
Electro-thermal simulation
50 nm
GST
Amorphous
GST
SiO2
SiO2
Heater
IR
Im
DEI Politecnico di Milano
- 23 -
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Dipartimento
Elettronica
Informazione
Programming curve
Resistance [Ω]
10
7
10
10
10
6
5
4
IR
Im
lance
μ-trench
10
Rset
Im
3
0
200 400 600 800 1000 1200
Current [μA]
Time
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Material parameters
ρ=17mΩcm
κ= 1W/Km
Dipartimento
Elettronica
Informazione
ρ=50Ωcm
κ= 0.3W/Km
+ Wiedemann-Franz
+ Thompson
ρ=25mΩcm
κ= 12W/Km
κ= 0.7W/Km
DEI Politecnico di Milano
- 25 -
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Reset to set transition
Dipartimento
Elettronica
Informazione
Current
Im
Ix
Time
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- 26 -
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Reset to set transition
Dipartimento
Elettronica
Informazione
Current
Im
Ix
Time
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- 27 -
Reset to set transition
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Dipartimento
Elettronica
Informazione
Current
conduction starts
in narrow filaments
Im
Ix
crystallization takes place
in the same regions
Time
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- 28 -
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Reset to set transition
Dipartimento
Elettronica
Informazione
Current
Im
Ix
Time
DEI Politecnico di Milano
- 29 -
Reset to set transition
Andrea L. LACAITA
Dipartimento
Elettronica
Informazione
Current
Im
Ix
Time
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- 30 -
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Reset to set transition
Dipartimento
Elettronica
Informazione
Current
Im
Ix
Time
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- 31 -
Reset to set transition
Andrea L. LACAITA
Dipartimento
Elettronica
Informazione
Current
Im
Ix
Time
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- 32 -
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Reset to set transition
Dipartimento
Elettronica
Informazione
Current
Im
Ix
Time
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- 33 -
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Set state: set-time dependence
Dipartimento
Elettronica
Informazione
6
Resistance [Ω]
10
5
10
100 ns
200 ns
1 μs
4
10
3
10
0 100 200 300 400 500 600 700 800
Programming current [μA]
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Dipartimento
Elettronica
Informazione
Coupling with crystallization
Electro-thermal
simulation
Ti
Nucleation &
Growth
Δt
Updated phase
distribution
Transient loop
Nucleation and Growth implemented through a Montecarlo method
DEI Politecnico di Milano
- 35 -
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Dipartimento
Elettronica
Informazione
Crystallization
Thermal enhancement
of atomic mobility
0
-1
Probability density [ns ]
10
Nucleation - growth
10
-2
1x10
-4
10
-6
10
-8
10
drop of free energy
gain per unit volume
Growth
Nucleation
-10
100
200
300
400
500
600
700
Temperature [°C]
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Dipartimento
Elettronica
Informazione
Summary
Numerical tools have been developed to support the design
and optimization of PCM technology
Carrier transport and heat flow are self-consistently coupled
in the frame of semiconductor device simulator
Material parameters have been tailored to quantitatively
account for experimental results
These tools are essential to design further scaled cell
architectures.
DEI Politecnico di Milano
- 37 -
Outline
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Dipartimento
Elettronica
Informazione
PCM concept and basic operation
Modeling
Switching
Set/Reset programming
Cell structures and scaling perspectives
Reliability issues
Retention, Drift
Conclusions
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- 38 -
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Dipartimento
Elettronica
Informazione
PCM and Joule heating
Endurance
Cross talk
Power dissipation / current consumption
30mA @ 1,8V
Reset current 500μA/cell
Write cycle time 1μs
16Mb/s
10mA @ 5V
20 cells in parallel
1Mcycles/sec
= 2MB/s
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- 39 -
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Dipartimento
Elettronica
Informazione
Current reduction by scaling
0.8
Crystal
Amorphous
Melting
680 °C
1
k
Crystallization
Temperature
Current [mA]
0.6
0.4
0.2
0.0
0.0
Electronic
switching
25 °C
0.5
1.0
ΔTM = Pd .RTH
1/k k
1.5
Voltage [V]
Pd = R .I2
1/k
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- 40 -
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Dipartimento
Elettronica
Informazione
PCM scaling strategies
Parameters
isotropic
GST/Heater contact area
Acell
Layer thickness
anisotropic
1/k2
1/k2
1/k
1
k
k2
Electrical/Thermal Resistances
R
Power dissipation
Pcell
1/k
1/k2
Current
I
1/k
1/k2
Voltage
Vcell
J
Current density
1
1
k
1
RsetxIm=const
DEI Politecnico di Milano
- 41 -
Current reduction
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Dipartimento
Elettronica
Informazione
by scaling
by material engineering
(active/heater)
by cell architecture
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- 42 -
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Dipartimento
Elettronica
Informazione
Lance / Ring
Hori et al. VLSI 2005
(A)
(B)
Ahn et al. VLSI 2005
DEI Politecnico di Milano
- 43 -
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Dipartimento
Elettronica
Informazione
Pillar / Pore
(A)
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(B)
- 44 -
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Dipartimento
Elettronica
Informazione
μtrench
Metal
GST
Heater
F. Pellizzer et al, VLSI’06
• Contact area: heater thickness x sublitho
DEI Politecnico di Milano
- 45 -
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Dipartimento
Elettronica
Informazione
Technology benchmarking
STM-Intel Samsung
IEDM 06
VLSI 06
Hynix
J. Sem.
Sci. And
Tech. 8(2),
128, 2008
Hitachi
IEDM06
ISSCC06
IBMQimondaMacronix
VLSI 06
IBMQimondaMacronix
VLSI 07
F [nm]
90
90
90
130
180
180
Cell type
μtrench/
lance,
bipolar,
Ring, GST
N-doped,
diode,
5,8F2
-
Lance, GST
-Ta2O5
layer,
MOSFET
Pillar, GST
N-doped
MOSFET
Pore, GST
N-doped
MOSFET
Ireset [mA]
0.4/0.7
0.6
1.0
0.1
0.9
0.4
Array size [#
bit]
128M
512M
512M
4M
Mini array
256k
1200
300 (MLC)
80
106
106
105
Set time [ns]
Endurance [#] >108
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105
- 46 -
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Dipartimento
Elettronica
Informazione
From MOSFET’s to diodes
Samsung, VLSI’04
Samsung, IEDM’06
DEI Politecnico di Milano
- 47 -
Andrea L. LACAITA
Dipartimento
Elettronica
Informazione
Summary
Among the various candidates for future NVMs, PCM
technology has shown the most convincing prospects for
commercial products
High density arrays as well as embedded solutions have been
successfully demonstrated
Short-term: valuable solution for embedded applications,
code storage, high performance memory systems
Long-term: solution for data storage applications
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- 48 -
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Dipartimento
Elettronica
Informazione
Outline
PCM concept and basic operation
Modeling
Switching
Set/Reset programming
Cell structures and scaling perspectives
Reliability issues
Retention, Drift
Conclusions
DEI Politecnico di Milano
- 49 -
Andrea L. LACAITA
Data-loss statistics
Dipartimento
Elettronica
Informazione
Repetitive measurements on
the same cell show
statistical spread
data loss is erratic
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- 50 -
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Weibull distribution of tfail
Dipartimento
Elettronica
Informazione
Failure time shows a
Weibull distribution
Consistent with failure
due to percolation
mechanism
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- 51 -
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T impact on statistics
Dipartimento
Elettronica
Informazione
Statistical spread
increases for
increasing T: why?
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- 52 -
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Dipartimento
Elettronica
Informazione
Cumulative distrib. %
Extraction of average grain size
99
75
50
25
10
3
1
o
o
o
T=210 C
190 C
180 C
rC=2.2nm
3.3nm
5.6nm
10
0
v t
rC = rN + G X
2
DEI Politecnico di Milano
10
1
10
2
10
3
10
4
Retention lifetime [s]
- 53 -
Data-retention projection
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Dipartimento
Elettronica
Informazione
Tfail from 105°C (typical) to 102°C (worst over 1Gbit)
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- 54 -
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o
Tx [ C]
Retention at the nanoscale
1000
800
600
500
400
300
Dipartimento
Elettronica
Informazione
Both cristallization time
and activation energy
decrease at the nanoscale
Si nanodot [1]
GeSb nanodot [2]
Impact of surface N/G
GeSbTe
nanowire [3]
Tailoring material
composition
200
100
0
10
1
10
D [nm]
DEI Politecnico di Milano
2
10
[1] Hirasawa et al., APL ’06,
[2] Raoux et al., EPCOS ’07,
[3] Lee et al., Nat. Nanotech., ’07
- 55 -
Andrea L. LACAITA
Reliability issues
Reliability issue
Impact on Cell
Crystallization
Resistance decrease
Structural relaxation
Resistance increase
Cycling endurance
Stuck set/reset
Program disturb
Resistance
decrease/increase
Read disturb
Switching and resistance
decrease
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- 56 -
Dipartimento
Elettronica
Informazione
Andrea L. LACAITA
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Dipartimento
Elettronica
Informazione
Resistance drift
7
10
νr=0.12
6
Resistance [Ω]
10
νr=0.1
5
10
νr=0.05
4
10
νr=0.02
3
10 -1
10
0
10
1
2
10
10
3
10
4
10
5
10
Time [s]
DEI Politecnico di Milano
- 57 -
SR physical characterization
1.
2.
3.
DEI Politecnico di Milano
MTC 2008 : PCM Memories: An overview
IMEC© 2008
Andrea L. LACAITA
Dipartimento
Elettronica
Informazione
Calorimetry Æ exothermic reaction in
a-Si, a-Ge and chalcogenide glasses (S.
Roorda et al., PRB 1991)
Increase of viscosity with time (J. A.
Mullin, PhD thesis, 2000)
Photoconductivity in a-Se indicate a
power-law decrease of trap density (K.
Koughia et al., JAP 2005)
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www.imec.be/mtc
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Dipartimento
Elettronica
Informazione
Poole-Frenkel conduction
Δφ
10
Current [A]
10
Less defects
10
10
-5
-6
-7
-8
10
Lower current
Initial
After bake (120C, 1D)
Calculated
-9
-10
Higher resistance
10 0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
Voltage [V]
Ielmini et al., IEDM’07
DEI Politecnico di Milano
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Dipartimento
Elettronica
Informazione
Kinetic model for SR
SR is due to atomic
rearrangements in the
disordered structure
τ = τ 0e
EA
k BT
Energy
EA
kinetic reproduced by
metastable defect relaxation
with broad distribution of
activation energies
Material engineering
Programming/reading schemes
to minimize the effect
Reaction coordinate
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Summary
Dipartimento
Elettronica
Informazione
Perspectives of PCM at the nanoscale calls for
optimization/engineering of material properties
Drift and defects dynamics, intrinsically linked to the
amorphous phase has to faced and dominated to make reliable
MLC.
Great fun in the next future!
DEI Politecnico di Milano
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Acknowledgments
Andrea L. LACAITA
Dipartimento
Elettronica
Informazione
STMicroelectronics, Intel, Numonyx
EU (CAMELS)
D. Ielmini, A. Pirovano, A. Redaelli, D. Mantegazza, U. Russo
and many other students of the Nano Lab – Politecnico di
Milano
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