近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所相变存储器研究团队基于12英寸集成工艺开发出一种纳米限制结构相变存储器。该团队通过优化器件集成工艺，在12英寸晶圆上制备出嵌入式纳米加热电极，实现了超过1.0×10¹¹次的器件循环擦写次数，较传统器件结构提升1000倍，刷新了蘑菇型结构相变存储器的循环擦写记录，相关研究成果发表于Nature Communications (https://doi.org/10.1038/s41467-025-60644-1)。
该研究通过在相变材料层中引入嵌入式纳米加热电极，构建了新型纳米限制型存储单元，有效提升了器件能效。器件的有限元仿真与透射电子显微镜分析结果表明，有效相变区域范围迁移至相变材料层内部，完全被相变材料包裹，避免了循环擦写过程中因孔洞形成导致的器件失效(图1)。
图1 (a)纳米限制结构存储单元的透射电子
显微镜截面图；(b)单个存储单元的透射电子显微镜截面图；(c)相变存储单元有限元模拟的温度分布结果
研究团队对纳米限制结构的相变存储单元开展了大规模的循环擦写实验。结果表明，该结构在较低能量的电学脉冲下依然保持一个数量级以上的电阻差异，并实现超过1.0×10¹¹次的可靠擦写寿命(图2)，相较于传统蘑菇型结构提升近1000倍，刷新了基于传统蘑菇型结构的相变存储器的擦写寿命纪录。
图2 采用纳米限制结构的相变存储器实现超过1.1×10¹¹次的写入寿命
扫描透射电子显微镜和电子能量损失谱分析结果显示器件操作过程中的过编程效应会加速碳元素在相变材料层内部的团聚。偏析的碳元素会不断挤压有效相变区域，最终导致有效相变区域发生溃缩，造成器件的不可逆失效。该研究提出的纳米限制型结构通过降低脉冲能量，有效避免了过编程效应，实现了循环擦写过程中相变区域微观结构的稳定性与组分均匀性(图3)。
图3. 纳米限制型结构相变存储器的电子能量损失谱分析结果
纳米限制型结构通过将有效相变区域移至相变材料层内部，避免了界面空洞问题，提高了加热效率并减少了过编程效应，从而实现器件长久稳定的循环擦写特性。纳米限制型结构采用物理气相沉积方法制造，不仅避免了原子层沉积工艺可能带来的污染问题和成本问题，还具备更灵活的材料筛选和更高的制造效率，有利于大规模集成和性能迭代优化。论文审稿人特别肯定该研究揭示了一种完全不同于通常认为的“孔洞缺陷”的器件失效机制，认为本论文提出的因掺杂元素偏析导致有效相变区域溃缩的器件失效机制在提升相变存储器循环擦写寿命方面具有重要研究价值。
该工作有望应用于高可靠嵌入式存储、车规级电子系统和AI边缘计算芯片中，为下一代低功耗、长寿命非易失存储器件的规模化应用奠定基础。论文第一作者为上海微系统所博士研究生郑加，通讯作者为周夕淋研究员与宋志棠研究员。该研究工作得到国家重点研发计划等项目的支持。
