相变存储芯片工业化过程中的材料问题，材料设计与优化方案

相变存储PCM利用硫族相变材料非晶相和晶体相之间快速且可逆的相变能力以及两相之间巨大的电阻差异实现快速且稳定的数据存储。

目前，英特尔、美光等半导体公司基于锗锑碲合金Ge2Sb2Te5研发的相变存储器3DXpoint已经作为独立式存储类内存SCM进入全球存储器市场。此外，相变存储亦在嵌入式存储应用，如汽车工业、微控制单元、物联网等方面有着广阔的市场前景。面向嵌入式应用，器件稳定性需要经过260℃数分钟的高温退火考验，而传统锗锑碲合金的结晶化温度仅为150℃。近期，意法半导体公司通过调控锗锑碲合金成分可大幅提升结晶化温度，并证实富锗合金相变存储器件可用于汽车微控制芯片的大规模集成，但同时该公司亦指出过量的锗元素极易引发相分离，进而导致器件失效。因此，如何有效提升锗锑碲合金非晶稳定性，但同时避免相分离是该方向亟待解决的问题。

图1：锗锑碲非晶稳定性与相分离趋势研究

近日，西安交通大学CAID材料创新设计中心张伟教授团队在npj Computational Materials 上发表题为“Ab initio molecular dynamics and materials design for embedded phase-change memory”的研究论文。该工作利用第一性原理分子动力学方法模拟了十余种不同成分比例锗锑碲合金的非晶结构，全面分析了非晶锗锑碲的局部原子构型、化学成键机制以及中程有序结构，结合“原子位置重叠”SOAP方法定量化表征了锗锑碲合金与单质锗的非晶相似度，并类比于合金形成能的概念，计算了非晶锗锑碲的相分离趋势（如图1所示）。结果表明，偏离经典GeTe-Sb2Te3二元平衡线，过量锗可大幅提升锗锑碲合金与单质锗的非晶结相似性，从而增强非晶锗锑碲的热稳定性。但锗含量超过55%，接近Ge4Sb1Te2时，非晶锗锑碲的结合机制发生根本性转变，导致相分离形成单质锗与传统锗锑碲合金的趋势大幅提升。因此，本工作提出一个合理的合金成分选择范围，如锗锑碲三元图中绿色虚线所示。基于该范围内的锗锑碲合金，可通过少量碳氮掺杂或微缩器件尺寸引入纳米尺寸效应进一步提升富锗合金的非晶热稳定性，从而满足嵌入式相变存储芯片在存储稳定性与循环工作寿命上的需求。

此前，张伟教授等人在Nature Review Materials 上发表了题为“Designing crystallization in phase-change materials for universal memory and neuro-inspired computing”的长篇综述论文，从相变存储材料的材料学基础出发，详细讨论了相变材料的结晶化与非晶化机理，阐明了其在数据存储、通用存储、类脑神经元计算以及人工智能硬件发展方面的核心作用，指出了相变存储芯片工业化过程中尚需解决的材料科学问题，并提供了一些材料设计与优化的方案。

图2：基于相变材料的通用存储技术
编辑：lyn