相变材料与阈值转变开关材料优选及其阈值转变机理研究

Three-dimensional phase change memory (3D PCRAM) has become currently the most popular and the most anticipated novel memory technology. The core of the 3D PCRAM is the high-density cell that consists of an Ovonic Threshold Switching (OTS) selector with strong driving capability and a phase change resistor with fast speed and low power consumption. The density of phase change memory depends on the selector’s size and performance because of the good scaling property of phase change materials. However, the research on the material and device of OTS selector has only just begun in China. And its threshold switching mechanism and scaling property is unclear thereby severely restricting the development of the high-density phase change memory. This project will carry out the following research contents: (1) The material optimization of OTS selector for high ON/OFF current ratio, low OFF state leakage current and high current driving capability and the study on threshold switching mechanism; (2) The development of high-speed, low-power and high-endurance phase change material as well as the study on its high-speed and reversible mechanism; (3) The research on integrated process , size effects and reliability of the memory cell that consists of one selector and one phase change resistor (1S1R). The clarification of the key scientific problems and the breakthrough of the key technology mentioned above will promote the development of 3D PCRAM in both the field of theory and engineering.

随着英特尔3D XPoint技术的发布，三维相变存储器（3D PCRAM）已经成为当前最热门、最受期待的新型存储技术。3D PCRAM的核心是由高驱动能力的阈值转变（OTS）选通管和低功耗相变存储材料组成的可实现三维堆叠的器件单元。由于相变材料具有非常好的微缩特性，PCRAM的密度取决于OTS选通管的大小与性能。然而我国在OTS选通管材料与器件方面的研究才刚刚起步，其阈值转变机理和微缩特性尚不明确，严重制约了3D PCRAM的研发进程。本项目研究内容主要分为三个部分：（一）高开关比、低漏导、高驱动能力OTS选通管材料的优选及其阈值转变机理研究；（二）高速、低功耗相变材料的开发及其低功耗可逆相变机理研究；（三）1S1R（1个OTS选通管和1个相变材料电阻）单元器件的集成与可靠性和微缩效应研究。上述关键科学问题的阐明和关键技术的突破将会在理论和工艺方面推动我国3D PCRAM的发展。

1.通过引入具有优良相变性能并且与Ge-Te和Sb-Te八面体匹配的In-Te八面体,得到了同时具备高热稳定性和高速、低功耗、长寿命的相变材料In-Ge-Sb-Te(IGST)。IGST具有180℃的10年数据保持力，6ns的操作速度。与相同器件结构下的GST相比，寿命提高了一个数量级，功耗降低了四分之三。该材料非常有潜力应用于三维PCM芯片和多级存储的类脑计算芯片上。该项研究成果以封面论文的形式发表在InfoMat。.2.针对相变材料在工程化中存在无法兼顾低功耗、高速与高热稳定性的问题，在三维限定相变理论的指导下，开发出以Ta为掺杂元素，Sb-Te基为母体材料的Ta-Sb-Te新型相变材料。Ta-Sb2Te3的十年数据保持力可达165℃，完全满足汽车电子、航空航天应用对PCM器件数据保持力的要求。操作速度可达3ns，疲劳达到2.6×106次，操作功耗比传统Ge2Sb2Te5器件降低91%，兼具高热稳定性、高速和低功耗性能。由于其结晶温度超过250℃，可经受回流焊高温考验，可以满足嵌入式领域对热稳定性的苛刻要求，解决了相变存储器面临的速度与热稳定性不可兼得的产业化瓶颈，研究成果发表在Materials Today Physics上。.3.针对嵌入式、汽车电子等高温应用场景，通过向GST母体材料中引入低扩散系数的Ta原子，开发出高可靠性Ta-Ge-Sb-Te材料体系，基于Ta-Ge-Sb-Te的器件十年数据保持温度为167℃，速度为6ns，循环寿命达到107，与GST相比，功耗降低了一个数量级。采用球差TEM和第一性原理计算分析了Ta原子对母体材料的影响，阐明了其优异性能的本质。.4.研制了以二元AsSe为基础的OTS器件，获得了低漏电（~1nA）、开关速度快（10ns/10ns）以及长寿命（>106次）等优异性能。针对该材料热稳定性不能满足CMOS工艺的缺点，通过Si掺杂实现了OTS材料热稳定性的提升(~450°C）。Si掺杂通过形成Si-As和Si-Se键打破了AsSe材料中原有基元实现了热稳定性的提升。同时因为Si掺杂将在能量更深处形成能带，使得制备的OTS漏电流特性进一步得到提升。该研究为OTS选通管性能的优化以及最终实现OTS材料的设计提供了方向。研究成果发表在Journal of Materials Chemistry C上。