近日,中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究團隊基于12英寸集成工藝,開發(fā)出納米限制結(jié)構(gòu)相變存儲器。該團隊通過優(yōu)化器件集成工藝,在12英寸晶圓上制備出嵌入式納米加熱電極,實現(xiàn)了超過1.0×10¹¹次的器件循環(huán)擦寫次數(shù),較傳統(tǒng)器件結(jié)構(gòu)提升了1000倍,刷新了蘑菇型結(jié)構(gòu)相變存儲器的循環(huán)擦寫紀(jì)錄。

科研人員在相變材料層中引入嵌入式納米加熱電極,構(gòu)建了新型納米限制型存儲單元,提升了器件能效。器件的有限元仿真與透射電子顯微鏡分析結(jié)果表明,有效相變區(qū)域范圍遷移至相變材料層內(nèi)部,完全被相變材料包裹,避免了循環(huán)擦寫過程因孔洞形成導(dǎo)致的器件失效。

研究人員對納米限制結(jié)構(gòu)的相變存儲單元開展了大規(guī)模的循環(huán)擦寫實驗。結(jié)果表明,該結(jié)構(gòu)在較低能量的電學(xué)脈沖下依然保持一個數(shù)量級以上的電阻差異,實現(xiàn)了超過1.0×10¹¹次的可靠擦寫壽命。

掃描透射電子顯微鏡和電子能量損失譜分析顯示,器件操作過程中的過編程效應(yīng)會加速碳元素在相變材料層內(nèi)部的團聚。偏析的碳元素會不斷擠壓有效相變區(qū)域,導(dǎo)致有效相變區(qū)域發(fā)生潰縮,造成器件的不可逆失效。該研究提出的納米限制型結(jié)構(gòu)通過降低脈沖能量,避免了過編程效應(yīng),實現(xiàn)了循環(huán)擦寫過程中相變區(qū)域微觀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與組分均勻性。

研究顯示,納米限制型結(jié)構(gòu)將有效相變區(qū)域移至相變材料層內(nèi)部,避免了界面空洞問題,提高了加熱效率并減少了過編程效應(yīng),實現(xiàn)了器件長久穩(wěn)定的循環(huán)擦寫特性。納米限制型結(jié)構(gòu)采用物理氣相沉積方法制造,避免了原子層沉積工藝可能帶來的污染問題和成本問題,具備更靈活的材料篩選和更高的制造效率,利于大規(guī)模集成和性能迭代優(yōu)化。

上述工作提出的摻雜元素偏析導(dǎo)致有效相變區(qū)域潰縮的器件失效機制,在提升相變存儲器循環(huán)擦寫壽命方面具有研究價值。同時,該工作有望應(yīng)用于高可靠嵌入式存儲、車規(guī)級電子系統(tǒng)和AI邊緣計算芯片中,為下一代低功耗、長壽命非易失存儲器件的規(guī)模化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然-通訊》(Nature Communications)上。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃等的支持。

論文鏈接

(a)納米限制結(jié)構(gòu)存儲單元的透射電子顯微鏡截面圖、(b)單個存儲單元的透射電子顯微鏡截面圖、(c)相變存儲單元有限元模擬的溫度分布結(jié)果

采用納米限制結(jié)構(gòu)的相變存儲器實現(xiàn)超過1.1×10¹¹次的寫入壽命

納米限制型結(jié)構(gòu)相變存儲器的電子能量損失譜分析結(jié)果