材料基因工程指导下的三维相变存储器材料设计
徐明
华中科技大学 集成电路学院

详细摘要： 存储器是现代信息社会的基石，非易失存储器的数据擦写速度慢但是成本低，而易失性存储器的数据擦写速度快但是成本高。基于硫系化合物的高阻无定形态和低阻晶态的物理结构变化的相变存储器（PCM），是最有前途的候选存储技术之一。PCM 作为一种新型的非易失性存储器，不仅具有很高的数据擦写速度，还具有较低的制造成本，可以极大地平衡现有存储器的短板，成为下一代存储器的候选技术，并且在人工智能、类脑计算和物联网方向都有着广泛的应用。PCM 工作原理是利用相变存储材料在晶态和非晶态之间巨大的阻值差异来实现对二值信息“0”和“1”的存储。为了实现高密度存储，存储器的结构已经由平面结构转变为三维结构。三维相变存储器使用的结构被认为是这种简单的交叉点结构，如图 1 所示。该交叉点结构可以减少单元尺寸到一个有效密度为 4F2 的大型三维堆叠阵列，每个单元是由相变存储（1R）和选通管（1S）构成。随着大数据和人工智能产业的急速发展，PCM 在存储速度、存储密度、可靠性方面都面临着极大挑战，这首先要求科学家深入了解相变材料的各项物理性质与其材料结构的关系（构效关系）。在材料基因工程平台的指导下，我们对相变存储以及选通管材料进行了大规模高通量的模拟和筛选。材料掺杂特别是超晶格材料成为改善 PCM 性能的主要方法。由于 PCM 的擦写速度主要取决于非晶相变材料的结晶速率，因此，对相变材料结晶行为的研究是 PCM 的一个发展方向。在提高 PCM 存储密度上，除了缩小PCM 的尺寸，采用多级存储也是一个重要趋势，这不可避免的要求相变材料的具有很好的可靠性（如非晶态的电阻漂移、循环能力、工作温度）。随着 PCM 存储密度的增大，功耗和发热也随之增加，降低功耗势在必行。三维相变存储器中除了相变功能层外，选通材料的研发也是一个重要的方向。可发生阈值转换的硫系玻璃是优异的选通材料之一。与 PCM 不同的是其结晶温度较高。三维相变存储器中对这种奥氏双相阈值转换（OTS）器件提出了很高的性能要求，它必须比 PCM 拥有更高的循环擦写次数及更快的速度，并保证其在多次操作过程中不发生相变。而对这些相变和选通材料基因的研究有助于帮助半导体制造产业筛选出具有自主知识产权的国产三维相变存储器材料。