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近日，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究團(tuán)隊(duì)基于12英寸集成工藝，開發(fā)出納米限制結(jié)構(gòu)相變存儲(chǔ)器。該團(tuán)隊(duì)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(shí)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)提升了1000倍，刷新了蘑菇型結(jié)構(gòu)相變存儲(chǔ)器的循環(huán)擦寫紀(jì)錄?？蒲腥藛T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，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)擦寫過程因孔洞形成導(dǎo)致的器件失效。研究人員對納米限制結(jié)構(gòu)的相變存儲(chǔ)單元開展了大規(guī)模的循環(huán)擦寫實(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)量級以上的電阻差異，實(shí)現(xiàn)了超過1.0×1011次的可靠擦寫壽命。掃描透射電子顯微鏡和電子能量損失譜分析顯示，器件操作過程中的過編程效應(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，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，避免了過編程效應(yīng)，實(shí)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。研究顯示，納米限制型結(jié)構(gòu)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)，實(shí)現(xiàn)了器件長久穩(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，避免了原子層沉積工藝可能帶來的污染問題和成本問題，具備更靈活的材料篩選和更高的制造效率，利于大規(guī)模集成和性能迭代優(yōu)化。上述工作提出的摻雜元素偏析導(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)擦寫壽命方面具有研究價(jià)值。同時(shí)，該工作有望應(yīng)用于高可靠嵌入式存儲(chǔ)、車規(guī)級電子系統(tǒng)和AI邊緣計(jì)算芯片中，為下一代低功耗、長壽命非易失存儲(chǔ)器件的規(guī)?；瘧?yīng)用奠定基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等的支持。論文鏈接（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)果采用納米限制結(jié)構(gòu)的相變存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)超過1.1×1011次的寫入壽命納米限制型結(jié)構(gòu)相變存儲(chǔ)器的電子能量損失譜分析結(jié)果