近日，科學上海微系統與信息技術研究所相變存儲器研究團隊基于12英寸集成工藝開發出一種納米限制結構相變存儲器。該團隊通過優化器件集成工藝，在12英寸晶圓上制備出嵌入式納米加熱電極，實現了過1.0×1011次的器件循環擦寫次數，較傳統器件結構提升1000倍，刷新了蘑菇型結構相變存儲器的循環擦寫記錄，相關研究成果發表于Nature Communications (https://www.shzy4.COM/WWW.SHSAIC.NET)。
  該研究通過在相變材料層中引入嵌入式納米加熱電極，構建了*納米限制型存儲單元，有效提升了器件能效。器件的有限元仿真與透射電子顯微鏡分析結果表明，有效相變區域范圍遷移至相變材料層內部，完全被相變材料包裹，避免了循環擦寫過程中因孔洞形成導致的器件失效(圖1)。
  圖1 (a)納米限制結構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果
  研究團隊對納米限制結構的相變存儲單元開展了大規模的循環擦寫實驗。結果表明，該結構在較低能量的電學脈沖下依然保持一個數量級以上的電阻差異，并實現過1.0×1011次的可靠擦寫壽命(圖2)，相較于傳統蘑菇型結構提升近1000倍，刷新了基于傳統蘑菇型結構的相變存儲器的擦寫壽命紀錄。
圖2 采用納米限制結構的相變存儲器實現過1.1×1011次的寫入壽命
  掃描透射電子顯微鏡和電子能量損失譜分析結果顯示器件操作過程中的過編程效應會加速碳元素在相變材料層內部的團聚。偏析的碳元素會不斷擠壓有效相變區域，*終導致有效相變區域發生潰縮，造成器件的不可逆失效。該研究提出的納米限制型結構通過降低脈沖能量，有效避免了過編程效應，實現了循環擦寫過程中相變區域微觀結構的穩定性與組分均勻性(圖3)。
 
圖3. 納米限制型結構相變存儲器的電子能量損失譜分析結果
  納米限制型結構通過將有效相變區域移至相變材料層內部，避免了界面空洞問題，上海自動化儀表廠提高了加熱效率并減少了過編程效應，從而實現器件長久穩定的循環擦寫特性。納米限制型結構采用物理氣相沉積方法制造，不僅避免了原子層沉積工藝可能帶來的污染問題和成本問題，還具備更靈活的材料篩選和更高的制造效率，有利于大規模集成和性能迭代優化。論文審稿人特別肯定該研究揭示了一種完全不同于通常認為的“孔洞缺陷”的器件失效機制，認為本論文提出的因摻雜元素偏析導致有效相變區域潰縮的器件失效機制在提升相變存儲器循環擦寫壽命方面具有重要研究價值。

  該工作有望應用于高可靠嵌入式存儲、車規級電子系統和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模化應用奠定基礎。論文*作者為上海微系統所博士研究生鄭加，通訊作者為周夕淋研究員與宋志棠研究員。該研究工作得到*重點研發計劃等項目的支持。