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High thermal stability chalcogenide phase change materials for embedded memory applications
高熱穩(wěn)定性硫?qū)倩锵嘧儾牧显谇度胧酱鎯?chǔ)器中的應(yīng)用

作者信息：

Ruobing Wang ^a, Ziqi Wan a ^b, Xixi Zou a ^c, Shanwen Chen ^a b, Sannian Song ^a, Xilin Zhou ^a, 

Zhitang Song ^a *

a State Key Laboratory of Materials for Integrated Circuits, Shanghai Institute of Microsystem and 

Information Technology, Chinese Academy of Sciences, Shanghai, 200050, China

b University of Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100049, China

c School of Physical Science and Techonlogy, ShanghaiTech University, Shanghai, 201210, China

https://doi.org/10.1016/j.revmat.2025.100015

文章介紹：

信息技術(shù)的快速發(fā)展推動(dòng)并促成了第四次工業(yè)革命，其核心技術(shù)涵蓋智能汽車(chē)、人工智能、云存儲(chǔ)和物聯(lián)網(wǎng)等多個(gè)領(lǐng)域。這些應(yīng)用場(chǎng)景中產(chǎn)生了前所未有的大量數(shù)據(jù)，亟需以更快、更可靠的方式進(jìn)行采集、處理和存儲(chǔ)。為了滿足日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求，存儲(chǔ)技術(shù)持續(xù)創(chuàng)新，發(fā)展出了如高密度三維NAND閃存和高帶寬動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（DRAM）等新型存儲(chǔ)器件。然而，由于現(xiàn)有半導(dǎo)體存儲(chǔ)器之間存在顯著的性能差距，特別是DRAM與NAND之間在數(shù)據(jù)延遲與容量方面的不同，形成了所謂的“存儲(chǔ)墻”，這已成為限制計(jì)算性能和效率進(jìn)一步提升的主要瓶頸。為解決DRAM與NAND之間的性能鴻溝，存儲(chǔ)級(jí)內(nèi)存（SCM，Storage Class Memory）應(yīng)運(yùn)而生，旨在提供可變且可定制的成本與訪問(wèn)延遲組合。SCM理想狀態(tài)下應(yīng)具備非易失性，其訪問(wèn)延遲短于NAND，同時(shí)成本更低、容量更高于DRAM。多種新興非易失性存儲(chǔ)技術(shù)被認(rèn)為是SCM的潛在候選，包括電阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RRAM）、相變存儲(chǔ)器（PCM）和磁阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（MRAM）。在現(xiàn)有存儲(chǔ)技術(shù)中，PCM因其優(yōu)異性能而被學(xué)術(shù)界與工業(yè)界廣泛研究，并被認(rèn)為是用于嵌入式PCM（ePCM）和SCM的有力競(jìng)爭(zhēng)者。隨著工藝節(jié)點(diǎn)縮小至20納米以下，PCM因其開(kāi)關(guān)活躍區(qū)域縮小，表現(xiàn)出低功耗和高速度等優(yōu)勢(shì)，逐漸受到更多關(guān)注。

2015年，基于硫?qū)倩锊牧祥_(kāi)發(fā)的三維交叉點(diǎn)（3D X-point）存儲(chǔ)技術(shù)被認(rèn)為是非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)的一項(xiàng)革命性突破。英特爾將該技術(shù)應(yīng)用于其Optane固態(tài)硬盤(pán)產(chǎn)品中，用于獨(dú)立存儲(chǔ)場(chǎng)景。除了獨(dú)立市場(chǎng)，嵌入式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)應(yīng)用同樣成為PCM技術(shù)的重要驅(qū)動(dòng)力，尤其是在高度微縮的傳統(tǒng)閃存中受到物理極限制約的背景下。

嵌入式存儲(chǔ)器的應(yīng)用場(chǎng)景包括微控制單元（MCU）、汽車(chē)電子、智能卡和物聯(lián)網(wǎng)，這些應(yīng)用往往需要存儲(chǔ)器具備較高的工作溫度。三星曾推出一款容量達(dá)512 Mb、通過(guò)二極管選通的PCM，大幅提升了單元密度。2010年，三星宣布PCM產(chǎn)品用于智能手機(jī)。2018年，意法半導(dǎo)體（STM）提出一款基于三元硫?qū)倩锊牧稀⒉捎?8納米FDSOI工藝的嵌入式非易失存儲(chǔ)器（eNVM）解決方案，面向汽車(chē)MCU應(yīng)用。

在所有被提議替代嵌入式Flash存儲(chǔ)器的電阻型存儲(chǔ)技術(shù)中，嵌入式PCM（ePCM）是目前唯一被驗(yàn)證滿足汽車(chē)工業(yè)最嚴(yán)格要求的技術(shù)。ePCM的數(shù)據(jù)保持溫度（T10）可達(dá)150 °C，并能夠承受峰值溫度達(dá)260 °C的回流焊過(guò)程，同時(shí)具備快速編程、位可改寫(xiě)性、低編程電流和良好的可靠性等優(yōu)點(diǎn)。

ePCM的開(kāi)關(guān)性能與其器件結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。由于PCM的電阻是通過(guò)焦耳熱調(diào)控的，采用無(wú)源加熱器提高加熱效率是提升性能的一種有效方式。常用的加熱器材料包括TiN或W，期望在加熱器與硫?qū)倩镏g的界面處形成相變活躍區(qū)。

圖3展示了四種典型的ePCM器件結(jié)構(gòu)，均旨在降低編程電流：

• 圖3(a)為蘑菇型結(jié)構(gòu)，通過(guò)縮小加熱器直徑降低編程電流，但易導(dǎo)致單元電阻波動(dòng)加大；

• 圖3(b)為環(huán)形電極結(jié)構(gòu)，可調(diào)控加熱器電阻；

• 圖3(c)所示的L型加熱器結(jié)構(gòu)（又稱自對(duì)準(zhǔn)墻結(jié)構(gòu)）進(jìn)一步降低編程電流；

• 圖3(d)為STM提出的微溝槽結(jié)構(gòu)，有效降低編程電流，但制造流程更復(fù)雜。STM的ePCM器件中普遍采用自對(duì)準(zhǔn)墻結(jié)構(gòu)。

硫?qū)倩锵嘧儾牧?/strong>是ePCM的核心。當(dāng)前最常見(jiàn)的材料是Ge?Sb?Te?（GST）合金，廣泛用于獨(dú)立PCM產(chǎn)品中。然而，其結(jié)晶溫度（Tc）偏低，限制了其在高溫下的開(kāi)關(guān)性能。在eNVM應(yīng)用中，要求相變材料的結(jié)晶溫度至少比GST高50 °C。因此，開(kāi)發(fā)具有高熱穩(wěn)定性的硫?qū)倩锵嘧儾牧蠈?duì)于ePCM的發(fā)展至關(guān)重要。