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High thermal stability chalcogenide phase change materials for embedded memory applications
高熱穩定性硫屬化物相變材料在嵌入式存儲器中的應用

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：

信息技術的快速發展推動并促成了第四次工業革命，其核心技術涵蓋智能汽車、人工智能、云存儲和物聯網等多個領域。這些應用場景中產生了前所未有的大量數據，亟需以更快、更可靠的方式進行采集、處理和存儲。為了滿足日益增長的數據存儲需求，存儲技術持續創新，發展出了如高密度三維NAND閃存和高帶寬動態隨機存取存儲器（DRAM）等新型存儲器件。然而，由于現有半導體存儲器之間存在顯著的性能差距，特別是DRAM與NAND之間在數據延遲與容量方面的不同，形成了所謂的“存儲墻”，這已成為限制計算性能和效率進一步提升的主要瓶頸。為解決DRAM與NAND之間的性能鴻溝，存儲級內存（SCM，Storage Class Memory）應運而生，旨在提供可變且可定制的成本與訪問延遲組合。SCM理想狀態下應具備非易失性，其訪問延遲短于NAND，同時成本更低、容量更高于DRAM。多種新興非易失性存儲技術被認為是SCM的潛在候選，包括電阻式隨機存取存儲器（RRAM）、相變存儲器（PCM）和磁阻式隨機存取存儲器（MRAM）。在現有存儲技術中，PCM因其優異性能而被學術界與工業界廣泛研究，并被認為是用于嵌入式PCM（ePCM）和SCM的有力競爭者。隨著工藝節點縮小至20納米以下，PCM因其開關活躍區域縮小，表現出低功耗和高速度等優勢，逐漸受到更多關注。

2015年，基于硫屬化物材料開發的三維交叉點（3D X-point）存儲技術被認為是非易失性存儲器技術的一項革命性突破。英特爾將該技術應用于其Optane固態硬盤產品中，用于獨立存儲場景。除了獨立市場，嵌入式數據存儲應用同樣成為PCM技術的重要驅動力，尤其是在高度微縮的傳統閃存中受到物理極限制約的背景下。

嵌入式存儲器的應用場景包括微控制單元（MCU）、汽車電子、智能卡和物聯網，這些應用往往需要存儲器具備較高的工作溫度。三星曾推出一款容量達512 Mb、通過二極管選通的PCM，大幅提升了單元密度。2010年，三星宣布PCM產品用于智能手機。2018年，意法半導體（STM）提出一款基于三元硫屬化物材料、采用28納米FDSOI工藝的嵌入式非易失存儲器（eNVM）解決方案，面向汽車MCU應用。

在所有被提議替代嵌入式Flash存儲器的電阻型存儲技術中，嵌入式PCM（ePCM）是目前唯一被驗證滿足汽車工業最嚴格要求的技術。ePCM的數據保持溫度（T10）可達150 °C，并能夠承受峰值溫度達260 °C的回流焊過程，同時具備快速編程、位可改寫性、低編程電流和良好的可靠性等優點。

ePCM的開關性能與其器件結構密切相關。由于PCM的電阻是通過焦耳熱調控的，采用無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，期望在加熱器與硫屬化物之間的界面處形成相變活躍區。

圖3展示了四種典型的ePCM器件結構，均旨在降低編程電流：

• 圖3(a)為蘑菇型結構，通過縮小加熱器直徑降低編程電流，但易導致單元電阻波動加大；

• 圖3(b)為環形電極結構，可調控加熱器電阻；

• 圖3(c)所示的L型加熱器結構（又稱自對準墻結構）進一步降低編程電流；

• 圖3(d)為STM提出的微溝槽結構，有效降低編程電流，但制造流程更復雜。STM的ePCM器件中普遍采用自對準墻結構。

硫屬化物相變材料是ePCM的核心。當前最常見的材料是Ge?Sb?Te?（GST）合金，廣泛用于獨立PCM產品中。然而，其結晶溫度（Tc）偏低，限制了其在高溫下的開關性能。在eNVM應用中，要求相變材料的結晶溫度至少比GST高50 °C。因此，開發具有高熱穩定性的硫屬化物相變材料對于ePCM的發展至關重要。

本文綜述了用于嵌入式數據存儲的高熱穩定性相變材料的材料工程進展，將系統呈現所優化材料的性能，并深入探討其開關機制。此外，還將介紹基于該材料的ePCM芯片性能，并分析相變材料面臨的挑戰與發展前景。

中文摘要：

硫族相變材料能夠在無序的非晶態與有序的晶態之間快速可逆切換，并伴隨著顯著的電學與光學性質差異。這種電阻對比特性被廣泛應用于相變存儲器（PCM）中的數據存儲。作為最具潛力的新興非易失性存儲技術，PCM在嵌入式數據存儲應用中受到了廣泛關注。然而，嵌入式相變存儲器（ePCM）所面臨的關鍵挑戰是如何在高熱負載環境下實現可靠的電學開關性能，因此硫族相變材料的熱穩定性對于維持編碼信息至關重要。本文綜述了通過摻雜手段對硫族相變材料進行材料工程改性，以提升其熱穩定性的研究進展。同時，還探討了性能優化機制與工業應用實例，為開發具備高熱穩定性和優異性能的ePCM器件提供了重要參考。