相變存儲芯片工業(yè)化過程中的材料問題，材料設(shè)計與優(yōu)化方案

相變存儲PCM利用硫族相變材料非晶相和晶體相之間快速且可逆的相變能力以及兩相之間巨大的電阻差異實現(xiàn)快速且穩(wěn)定的數(shù)據(jù)存儲。

目前，英特爾、美光等半導(dǎo)體公司基于鍺銻碲合金Ge2Sb2Te5研發(fā)的相變存儲器3DXpoint已經(jīng)作為獨立式存儲類內(nèi)存SCM進(jìn)入全球存儲器市場。此外，相變存儲亦在嵌入式存儲應(yīng)用，如汽車工業(yè)、微控制單元、物聯(lián)網(wǎng)等方面有著廣闊的市場前景。面向嵌入式應(yīng)用，器件穩(wěn)定性需要經(jīng)過260℃數(shù)分鐘的高溫退火考驗，而傳統(tǒng)鍺銻碲合金的結(jié)晶化溫度僅為150℃。近期，意法半導(dǎo)體公司通過調(diào)控鍺銻碲合金成分可大幅提升結(jié)晶化溫度，并證實富鍺合金相變存儲器件可用于汽車微控制芯片的大規(guī)模集成，但同時該公司亦指出過量的鍺元素極易引發(fā)相分離，進(jìn)而導(dǎo)致器件失效。因此，如何有效提升鍺銻碲合金非晶穩(wěn)定性，但同時避免相分離是該方向亟待解決的問題。

圖1：鍺銻碲非晶穩(wěn)定性與相分離趨勢研究

近日，西安交通大學(xué)CAID材料創(chuàng)新設(shè)計中心張偉教授團(tuán)隊在npj Computational Materials 上發(fā)表題為“Ab initio molecular dynamics and materials design for embedded phase-change memory”的研究論文。該工作利用第一性原理分子動力學(xué)方法模擬了十余種不同成分比例鍺銻碲合金的非晶結(jié)構(gòu)，全面分析了非晶鍺銻碲的局部原子構(gòu)型、化學(xué)成鍵機(jī)制以及中程有序結(jié)構(gòu)，結(jié)合“原子位置重疊”SOAP方法定量化表征了鍺銻碲合金與單質(zhì)鍺的非晶相似度，并類比于合金形成能的概念，計算了非晶鍺銻碲的相分離趨勢（如圖1所示）。結(jié)果表明，偏離經(jīng)典GeTe-Sb2Te3二元平衡線，過量鍺可大幅提升鍺銻碲合金與單質(zhì)鍺的非晶結(jié)相似性，從而增強(qiáng)非晶鍺銻碲的熱穩(wěn)定性。但鍺含量超過55%，接近Ge4Sb1Te2時，非晶鍺銻碲的結(jié)合機(jī)制發(fā)生根本性轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致相分離形成單質(zhì)鍺與傳統(tǒng)鍺銻碲合金的趨勢大幅提升。因此，本工作提出一個合理的合金成分選擇范圍，如鍺銻碲三元圖中綠色虛線所示?；谠摲秶鷥?nèi)的鍺銻碲合金，可通過少量碳氮摻雜或微縮器件尺寸引入納米尺寸效應(yīng)進(jìn)一步提升富鍺合金的非晶熱穩(wěn)定性，從而滿足嵌入式相變存儲芯片在存儲穩(wěn)定性與循環(huán)工作壽命上的需求。

此前，張偉教授等人在Nature Review Materials 上發(fā)表了題為“Designing crystallization in phase-change materials for universal memory and neuro-inspired computing”的長篇綜述論文，從相變存儲材料的材料學(xué)基礎(chǔ)出發(fā)，詳細(xì)討論了相變材料的結(jié)晶化與非晶化機(jī)理，闡明了其在數(shù)據(jù)存儲、通用存儲、類腦神經(jīng)元計算以及人工智能硬件發(fā)展方面的核心作用，指出了相變存儲芯片工業(yè)化過程中尚需解決的材料科學(xué)問題，并提供了一些材料設(shè)計與優(yōu)化的方案。

圖2：基于相變材料的通用存儲技術(shù)
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