近日，中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所相變存儲(chǔ)器研究團(tuán)隊(duì)基于12英寸集成工藝開(kāi)發(fā)出一種納米限制結(jié)構(gòu)相變存儲(chǔ)器。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)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(shí)現(xiàn)了超過(guò)1.0×1011次的器件循環(huán)擦寫(xiě)次數(shù)，較傳統(tǒng)器件結(jié)構(gòu)提升1000倍，刷新了蘑菇型結(jié)構(gòu)相變存儲(chǔ)器的循環(huán)擦寫(xiě)記錄，相關(guān)研究成果發(fā)表于Nature Communications (https://doi.org/10.1038/s41467-025-60644-1)。
該研究通過(guò)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(chǔ)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(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(xiě)過(guò)程中因孔洞形成導(dǎo)致的器件失效（圖1）。
圖1 (a)納米限制結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)單元的透射電子顯微鏡截面圖；(b)單個(gè)存儲(chǔ)單元的透射電子顯微鏡截面圖；(c)相變存儲(chǔ)單元有限元模擬的溫度分布結(jié)果
研究團(tuán)隊(duì)對(duì)納米限制結(jié)構(gòu)的相變存儲(chǔ)單元開(kāi)展了大規(guī)模的循環(huán)擦寫(xiě)實(shí)驗(yàn)。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(gè)數(shù)量級(jí)以上的電阻差異，并實(shí)現(xiàn)超過(guò)1.0×1011次的可靠擦寫(xiě)壽命（圖2），相較于傳統(tǒng)蘑菇型結(jié)構(gòu)提升近1000倍，刷新了基于傳統(tǒng)蘑菇型結(jié)構(gòu)的相變存儲(chǔ)器的擦寫(xiě)壽命紀(jì)錄。
圖2 采用納米限制結(jié)構(gòu)的相變存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)超過(guò)1.1×1011次的寫(xiě)入壽命
掃描透射電子顯微鏡和電子能量損失譜分析結(jié)果顯示器件操作過(guò)程中的過(guò)編程效應(yīng)會(huì)加速碳元素在相變材料層內(nèi)部的團(tuán)聚。偏析的碳元素會(huì)不斷擠壓有效相變區(qū)域，最終導(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(guò)降低脈沖能量，有效避免了過(guò)編程效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了循環(huán)擦寫(xiě)過(guò)程中相變區(qū)域微觀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與組分均勻性（圖3）。
圖3. 納米限制型結(jié)構(gòu)相變存儲(chǔ)器的電子能量損失譜分析結(jié)果
納米限制型結(jié)構(gòu)通過(guò)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(wèn)題，提高了加熱效率并減少了過(guò)編程效應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)器件長(zhǎng)久穩(wěn)定的循環(huán)擦寫(xiě)特性。納米限制型結(jié)構(gòu)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(lái)的污染問(wèn)題和成本問(wèn)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(guī)模集成和性能迭代優(yōu)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(rèn)為的“孔洞缺陷”的器件失效機(jī)制，認(rèn)為本論文提出的因摻雜元素偏析導(dǎo)致有效相變區(qū)域潰縮的器件失效機(jī)制在提升相變存儲(chǔ)器循環(huán)擦寫(xiě)壽命方面具有重要研究?jī)r(jià)值。
該工作有望應(yīng)用于高可靠嵌入式存儲(chǔ)、車(chē)規(guī)級(jí)電子系統(tǒng)和AI邊緣計(jì)算芯片中，為下一代低功耗、長(zhǎng)壽命非易失存儲(chǔ)器件的規(guī)?；瘧?yīng)用奠定基礎(chǔ)。論文第一作者為上海微系統(tǒng)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。該研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-60644-1
