High thermal stability chalcogenide phase change materials for embedded memory applications
高热稳定性硫属化物相变材料在嵌入式存储器中的应用

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

文章介绍：

信息技术的快速发展推动并促成了第四次工业革命，其核心技术涵盖智能汽车、人工智能、云存储和物联网等多个领域。这些应用场景中产生了前所未有的大量数据，亟需以更快、更可靠的方式进行采集、处理和存储。为了满足日益增长的数据存储需求，存储技术持续创新，发展出了如高密度三维NAND闪存和高带宽动态随机存取存储器（DRAM）等新型存储器件。然而，由于现有半导体存储器之间存在显著的性能差距，特别是DRAM与NAND之间在数据延迟与容量方面的不同，形成了所谓的“存储墙”，这已成为限制计算性能和效率进一步提升的主要瓶颈。为解决DRAM与NAND之间的性能鸿沟，存储级内存（SCM，Storage Class Memory）应运而生，旨在提供可变且可定制的成本与访问延迟组合。SCM理想状态下应具备非易失性，其访问延迟短于NAND，同时成本更低、容量更高于DRAM。多种新兴非易失性存储技术被认为是SCM的潜在候选，包括电阻式随机存取存储器（RRAM）、相变存储器（PCM）和磁阻式随机存取存储器（MRAM）。在现有存储技术中，PCM因其优异性能而被学术界与工业界广泛研究，并被认为是用于嵌入式PCM（ePCM）和SCM的有力竞争者。随着工艺节点缩小至20纳米以下，PCM因其开关活跃区域缩小，表现出低功耗和高速度等优势，逐渐受到更多关注。

2015年，基于硫属化物材料开发的三维交叉点（3D X-point）存储技术被认为是非易失性存储器技术的一项革命性突破。英特尔将该技术应用于其Optane固态硬盘产品中，用于独立存储场景。除了独立市场，嵌入式数据存储应用同样成为PCM技术的重要驱动力，尤其是在高度微缩的传统闪存中受到物理极限制约的背景下。

嵌入式存储器的应用场景包括微控制单元（MCU）、汽车电子、智能卡和物联网，这些应用往往需要存储器具备较高的工作温度。三星曾推出一款容量达512 Mb、通过二极管选通的PCM，大幅提升了单元密度。2010年，三星宣布PCM产品用于智能手机。2018年，意法半导体（STM）提出一款基于三元硫属化物材料、采用28纳米FDSOI工艺的嵌入式非易失存储器（eNVM）解决方案，面向汽车MCU应用。

在所有被提议替代嵌入式Flash存储器的电阻型存储技术中，嵌入式PCM（ePCM）是目前唯一被验证满足汽车工业最严格要求的技术。ePCM的数据保持温度（T10）可达150 °C，并能够承受峰值温度达260 °C的回流焊过程，同时具备快速编程、位可改写性、低编程电流和良好的可靠性等优点。

ePCM的开关性能与其器件结构密切相关。由于PCM的电阻是通过焦耳热调控的，采用无源加热器提高加热效率是提升性能的一种有效方式。常用的加热器材料包括TiN或W，期望在加热器与硫属化物之间的界面处形成相变活跃区。

图3展示了四种典型的ePCM器件结构，均旨在降低编程电流：

• 图3(a)为蘑菇型结构，通过缩小加热器直径降低编程电流，但易导致单元电阻波动加大；

• 图3(b)为环形电极结构，可调控加热器电阻；

• 图3(c)所示的L型加热器结构（又称自对准墙结构）进一步降低编程电流；

• 图3(d)为STM提出的微沟槽结构，有效降低编程电流，但制造流程更复杂。STM的ePCM器件中普遍采用自对准墙结构。

硫属化物相变材料是ePCM的核心。当前最常见的材料是Ge₂Sb₂Te₅（GST）合金，广泛用于独立PCM产品中。然而，其结晶温度（Tc）偏低，限制了其在高温下的开关性能。在eNVM应用中，要求相变材料的结晶温度至少比GST高50 °C。因此，开发具有高热稳定性的硫属化物相变材料对于ePCM的发展至关重要。

本文综述了用于嵌入式数据存储的高热稳定性相变材料的材料工程进展，将系统呈现所优化材料的性能，并深入探讨其开关机制。此外，还将介绍基于该材料的ePCM芯片性能，并分析相变材料面临的挑战与发展前景。

中文摘要：

硫族相变材料能够在无序的非晶态与有序的晶态之间快速可逆切换，并伴随着显著的电学与光学性质差异。这种电阻对比特性被广泛应用于相变存储器（PCM）中的数据存储。作为最具潜力的新兴非易失性存储技术，PCM在嵌入式数据存储应用中受到了广泛关注。然而，嵌入式相变存储器（ePCM）所面临的关键挑战是如何在高热负载环境下实现可靠的电学开关性能，因此硫族相变材料的热稳定性对于维持编码信息至关重要。本文综述了通过掺杂手段对硫族相变材料进行材料工程改性，以提升其热稳定性的研究进展。同时，还探讨了性能优化机制与工业应用实例，为开发具备高热稳定性和优异性能的ePCM器件提供了重要参考。