2024年7月30日，《Advanced Functional Materials》在线刊发了华中科技大学童浩/缪向水教授团队在基于原子层沉积技术的高可靠超晶格相变存储器方面最新研究成果“High-Stability Van Der Waals Structures of GeTe/Sb2Te3 Superlattices for 100X Increased Durability Phase-Change Memory (PCM) by Low Temperature Atomic Layer Deposition”。
图1 传统沉积方法形成垂直纳米颗粒结构的示意图
三维相变存储器（3D PCM）作为一种新兴的非易失性存储器技术，因其优异的电学性能和产业化潜力而备受关注，有望作为存储器内存（SCM）颠覆现有存储架构。前期大量研究表明基于GeTe/Sb2Te3超晶格材料的3D PCM在速度、功耗和寿命等方面都表现出远优于传统GeSbTe的性能，能显著提升3D PCM在内存领域的竞争力，但目前因界面混合（mix）互扩散带来的循环/温度稳定性问题，其产业化进展并不顺利。业界普遍认为，超晶格薄膜中范德瓦尔斯间隙结构的存在对其性能起着关键作用。然而，传统沉积过程中Sb2Te3晶粒挤压形成的随机取向垂直纳米颗粒结构，以及在高温沉积条件下GeTe和Sb2Te3之间的混合（mix），会严重影响超晶格相变材料的性能，解决这些技术挑战对于推动超晶格相变存储器的产业化落地至关重要。
图2 降低Sb2Te3薄膜不规则垂直纳米颗粒结构堆积的方法示意图
因此，研究团队创新性地提出低温原子层沉积技术，解决了Sb2Te3晶粒的随机取向和不规则垂直纳米颗粒结构叠加问题。该方法可获得具有高稳定性范德瓦尔斯间隙结构的Sb2Te3晶体薄膜，利用这些高织构Sb2Te3薄膜的诱导生长作用，在仅为90℃的低温下制备了具有择优晶体取向的超晶格薄膜。
图3 优化后的超晶格相变存储器的性能提升
经过优化的超晶格薄膜在300℃退火后表现出显著的结构稳定性，并有效减缓了在电脉冲操作过程下合金相的出现，从而使器件的耐久性提高了100倍。该工作阐明了超晶格相变材料的界面混合（mix）机制，提出了基于新型低温ALD的超晶格相变材料沉积方案，解决了制约超晶格3D PCM产业化的循环/温度稳定性问题，为提升3D PCM在内存领域的竞争力提供了一种新思路。
该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和湖北省杰出青年基金项目以及华为公司的资助。童浩教授为通讯作者，博士生朱荣江为第一作者，华中科技大学集成电路学院为论文第一完成单位。
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High‐Stability van Der Waals Structures of GeTe/Sb2Te3 Superlattices for 100× Increased Durability Phase‐Change Memory (PCM) by Low‐Temperature Atomic Layer Deposition
