存儲芯片集成密度的提升對于大容量存儲和并行計算至關(guān)重要，這要求三維疊層交叉點架構(gòu)中的選擇器組件具備極低的漏電流和適當(dāng)?shù)拈撝惦妷骸Ｄ壳叭S相變存儲器主要利用雙向閾值開關(guān)選擇器控制存儲單元的通斷，其訪問性能直接影響芯片的面積效率和成本。理想的選擇器應(yīng)在半偏置電壓下實現(xiàn)皮安級的亞閾值漏電流，并展現(xiàn)出開關(guān)非線性度，同時閾值電壓需維持在1.8至2.5伏特之間，以兼容先進(jìn)工藝節(jié)點的低壓邏輯器件。然而現(xiàn)有的材料體系和結(jié)構(gòu)設(shè)計往往難以同時滿足這些嚴(yán)苛的參數(shù)要求，制約了更大規(guī)模存儲陣列的發(fā)展。

挑戰(zhàn)在于傳統(tǒng)選擇器面臨物理屬性沖突的困境，通過增加材料交聯(lián)度或插入介質(zhì)緩沖層雖能降低漏電流，但往往會導(dǎo)致閾值電壓不可避免地大幅升高。近期雖有通過降低傳導(dǎo)激活能來壓低電壓的嘗試，但其漏電流仍普遍高于納安級別，且開關(guān)比受限。此外為了承受集成電路后端制備過程中的熱預(yù)算，非晶態(tài)材料必須具備熱穩(wěn)定性，但這通常會拉大電子帶隙并提升開啟門檻，另一個核心難題是選擇器的絲狀導(dǎo)電物理機制長期存在爭議，且缺乏直接的實空間觀測證據(jù)。

針對上述問題，由深圳大學(xué)、浙江大學(xué)等組成的團(tuán)隊利用澤攸科技的原位TEM測量系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，通過設(shè)計一種具有熱穩(wěn)定性的Ge?Se?非晶納米粒子組裝納米層，利用其極小的電極接觸面積顯著抑制了選擇器的亞閾值漏電流，并在國際上通過原位電子全息技術(shù)直接證實了納米尺度的絲狀導(dǎo)電機制。

研究團(tuán)隊開發(fā)出一種全新的熱注射合成技術(shù)，成功制備出Ge?Se?非晶球形納米粒子，增加該材料體系在納米顆粒形態(tài)上的研究空白。這種材料在設(shè)計上追求簡化二元組分且不含砷元素，有效降低了大規(guī)模生產(chǎn)的技術(shù)門檻。實驗結(jié)果表明，該納米粒子在氬氣環(huán)境下即便加熱至550攝氏度仍能保持非晶態(tài)，其結(jié)晶溫度顯著高于大多數(shù)現(xiàn)有的閾值開關(guān)薄膜材料。這種熱穩(wěn)定性使其能夠兼容半導(dǎo)體制造中的后端工藝熱預(yù)算，為高性能嵌入式存儲器的應(yīng)用奠定了堅實的物質(zhì)基礎(chǔ)。

圖1 納米粒子組裝納米層OTS選擇器的方案提出

圖2 熱穩(wěn)定非晶態(tài)Ge?Se?納米粒子的合成

通過將這種非晶納米粒子旋轉(zhuǎn)涂布在襯底上，研究人員構(gòu)建了一種宏觀致密的納米組裝層，并將其集成至T型選擇器器件中。得益于納米粒子與電極之間極小的有效接觸面積，該器件在保持閾值電壓位于2.2至2.6伏特合理區(qū)間的同時，實現(xiàn)了約1皮安的極低亞閾值漏電流。這一成果直接帶來了高達(dá)十的八次方的開關(guān)選擇比，在關(guān)鍵性能指標(biāo)上全面超越了現(xiàn)有的基于薄膜結(jié)構(gòu)的同類選擇器，這種通過物理形貌創(chuàng)新來解決電學(xué)性能沖突的設(shè)計思路，為三維交叉點架構(gòu)的進(jìn)一步微縮提供了可行路徑。

圖3 納米粒子及納米粒子組裝納米層選擇器的訪問性能

為了深入探究開關(guān)過程中的物理機制，研究團(tuán)隊利用澤攸科技提供的透射電鏡原位樣品桿對單個納米粒子在電壓驅(qū)動下的結(jié)構(gòu)與電場變化進(jìn)行了實時觀測。通過該原位樣品桿，科研人員能夠在施加電壓偏置的同時，利用球差校正電鏡捕獲高分辨率的微觀圖像。這種精密儀器的應(yīng)用使得研究者能夠精準(zhǔn)控制電流合規(guī)值，從而在保持非晶狀態(tài)的前提下觀察粒子內(nèi)部的導(dǎo)電演變。實驗過程嚴(yán)格遵循了低電子束劑量原則，最大限度地減少了束流效應(yīng)對樣品潛在的損傷，確保了觀測結(jié)果的真實性與高信度。

圖4 與多種OTS材料的Ioff–N與Ioff–Vth性能對比

借助原位離軸電子全息技術(shù)，研究團(tuán)隊在國際上直接觀測到了單個納米粒子內(nèi)部形成的納米級導(dǎo)電絲狀路徑。在器件開啟狀態(tài)下，電子全息圖清晰地顯示出從微小接觸點向外延伸的低電位感知區(qū)域，這與關(guān)閉狀態(tài)下的全域高電位分布形成了鮮明對比。研究證實，隨著驅(qū)動電流的增加，這些導(dǎo)電路徑會經(jīng)歷從邊緣生根到逐漸向內(nèi)部擴張的過程，最終形成支撐高電流傳輸?shù)挠行ǖ?/span>。這一發(fā)現(xiàn)不僅為長期爭論不休的閾值開關(guān)物理起源提供了關(guān)鍵性的實驗支撐，也為未來開發(fā)超小尺寸的相變存儲單元提供了重要的理論依據(jù)。

圖5 用于證實絲狀導(dǎo)電的原位離軸電子全息技術(shù)

FEI雙傾探針桿

澤攸科技專注于掃描電子顯微鏡、原位測量系統(tǒng)、臺階儀、納米位移臺、光柵尺、探針臺、電子束光刻機、二維材料轉(zhuǎn)移臺、超高真空組件及配件、壓電物鏡、等離子體化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)等精密設(shè)備的研究，滿足國家在科學(xué)精密儀器領(lǐng)域的諸多空白。澤攸科技以自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)為核心，依托一支專業(yè)的研發(fā)與生產(chǎn)團(tuán)隊，經(jīng)過二十多年的技術(shù)積累，在半導(dǎo)體加工設(shè)備和材料表征測量領(lǐng)域已屬于國內(nèi)頭部。公司承擔(dān)和參與了國家重點研發(fā)計劃、國家重大科研裝備研制項目等多個重量級科研項目，多次實現(xiàn)國內(nèi)材料表征測量設(shè)備的“國產(chǎn)替代”，相關(guān)產(chǎn)品具有較好的國際聲譽、產(chǎn)品檢測數(shù)據(jù)被國際盛名期刊采納。