近日，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所相變存儲器研究團隊基于12英寸集成工藝開發(fā)出一種納米限制結(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1000倍，刷新了蘑菇型結(jié)構(gòu)相變存儲器的循環(huán)擦寫記錄，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，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)擦寫過程中因孔洞形成導(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

研究團隊對納米限制結(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，并實現(xiàn)超過1.0×1011次的可靠擦寫壽命（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)的相變存儲器的擦寫壽命紀(jì)錄。

圖2 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

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，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)通過降低脈沖能量，有效避免了過編程效應(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（圖3）。

圖3. 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

納米限制型結(jié)構(gòu)通過將有效相變區(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)，從而實現(xiàn)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，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(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制在提升相變存儲器循環(huán)擦寫壽命方面具有重要研究價值。

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)?；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。該研究工作得到國家重點研發(fā)計劃等項目的支持。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-60644-1