基于GeSbSeTe的选择性存储器件中，通过组合工程方法抑制氧化引起的漂移现象

《Applied Surface Science》：Compositional engineering for oxidation-induced drift suppression in GeSbSeTe-based selector-only memory devices

选择性仅内存（SOM）因快速切换、低成本和简单两终端结构成为下一代CXL兼容存储的候选方案，但面临有毒元素砷依赖和漂移现象导致的可靠性挑战。本研究提出无砷的锗-铋-硒-碲（GSST）系统，通过调控锗浓度扩大记忆窗口，并利用Ge-O键形成抑制结构漂移，为环境友好型SOM技术提供新路径。

　　

Jaeho Jung|Won Hee Jeong|Min Kyu Yang|Gun Hwan Kim

韩国首尔延世大学材料科学与工程系，邮编03722

摘要

仅选择器内存（Selector-only-memory, SOM）因其快速的切换速度、低制造成本以及结构简单的两端架构，已成为下一代计算快速链接（Compute Express Link, CXL）兼容内存的有希望的候选者。然而，其实际应用面临一些关键挑战，包括依赖砷（As）等有毒元素来稳定材料，以及由局部原子重排引起的漂移现象导致的可靠性问题。最近的研究探索了使用铟（In）、碳（C）、硅（Si）和镓（Ga）等替代掺杂剂的材料工程方法来解决这些限制。本研究介绍了一种无砷的基于硒（Se）的四元Ge-Sb-Se-Te（GSST）系统，旨在实现SOM设备的快速可靠运行。本文强调了锗（Ge）浓度在调节内存性能中的关键作用，并提出了一种减轻漂移退化的工艺级策略。这些发现为SOM技术开辟了新的路径，突显了其作为下一代内存应用的可扩展且环境友好的解决方案的可行性。

引言

人工智能（AI）、云计算基础设施和数据为中心的计算的前所未有的增长，为内存架构带来了一个变革的时代。传统的冯·诺依曼计算系统将处理单元和存储单元物理分离，由于数据在层次化排列的内存之间频繁移动，因此存在固有的延迟和能源效率问题[1]、[2]、[3]。为了解决这些限制，新的内存范式正在迅速出现，特别是那些支持处理器和内存之间紧密耦合的范式。一个典型的例子是计算快速链接（CXL）互连，它使得中央处理单元（CPU）、图形处理单元（GPU）和存储设备之间能够实现异构内存池化和一致性[4]、[5]、[6]、[7]。这一变革时代推动了超越传统硅基方法的各种内存技术的研究，探索了新型材料和创新的外形因素。例如，卤化物钙钛矿因其可调的带隙和快速的离子迁移而被积极研究，这对电阻式开关内存系统非常有利[8]、[9]、[10]、[11]。同时，可穿戴电子产品的扩展加速了能够在外部变形下保持性能的可拉伸电阻式开关内存设备的发展[12]、[13]。虽然这些新兴技术扩展了内存应用的视野，但数据为中心的计算的核心需求仍然是需要非易失性、高速、结构简单、可扩展且具有良好成本性能比的内存解决方案。在这种情况下，高带宽内存（HBM）已经填补了缓存内存和动态随机存取内存（DRAM）之间的性能差距，但在更低的层次上，仍然迫切需要低成本、高密度和快速访问的非易失性内存[14]、[15]、[16]。

仅选择器内存（SOM）已成为满足这一需求的引人注目的候选者。作为硫属化合物基内存技术的一个子集，SOM设备利用单层非晶薄膜内的极性依赖性电阻式开关，通过简单的两端结构实现无选择器操作[17]、[18]、[19]。这种结构上的简单性带来了几个关键优势，包括降低制造复杂性、提高单元密度，以及与交叉阵列（CA）架构的固有兼容性，这对于需要极端可扩展性的下一代内存系统至关重要。SOM设备通常由基于VI族元素（如硒（Se）或碲（Te）的硫属化合物合金组成，并掺杂了额外的元素，包括锗（Ge）、锑（Sb）或砷（As）[20]、[21]。这些元素调整了电子能带结构和局部键合环境，直接影响阈值电压（V_th）、切换速度、热稳定性和耐久性。值得注意的是，先前的研究报道，引入特定的掺杂剂可以改善内存裕度并抑制切换变异性[22]、[23]、[24]。然而，仍然存在一些未解决的实际挑战。例如，砷（As）具有严重的毒性问题和环境危害，而多组分合金常常遭受成分不稳定性和漂移现象的影响，随着时间的推移会降低设备的可靠性。由漂移引起的退化——表现为V_th或读取电流的逐渐变化——与非晶硫属化合物系统中的亚稳态键合配置和局部结构松弛密切相关。这成为SOM在实际应用中采用的主要瓶颈，特别是在需要长期数据保留和精确阈值稳定性的场景中。为了克服这些挑战，我们在本工作中提出了一种无掺杂的方法来提高SOM内存的性能。具体来说，我们系统地研究了在无砷的Ge-Se-Sb-Te（GSST）系统中增加Ge浓度对内存特性的影响。我们的结果表明，提高Ge/Se比例可以在不使用外部掺杂剂的情况下显著扩大内存裕度。更重要的是，我们发现通常由富Ge环境加剧的漂移退化可以通过控制Ge-O键的形成来有效抑制，这些键合有助于稳定局部键合网络并抑制结构松弛。

本研究不仅阐明了高性能SOM操作所需的组成设计原则，还提出了一种新的材料策略，以实现抗漂移、环境友好且无选择器的硫属化合物内存。我们的发现为SOM设备的开关机制提供了基本见解，并为其集成到未来的AI加速计算架构中奠定了基础。

GSST基SOM设备的基本操作特性

SOM设备采用类似电容器的架构，其中活性硫属化合物层嵌入在顶部电极（TE）和底部电极（BE）之间，如图1a的插图所示。活性层由IV、V和VI族元素组成的四元硫属化合物薄膜构成，具体来说是Ge、Sb、Te和Se。每种成分的作用总结如下：添加Ge可以提高非晶相的热稳定性，因为

结论

在这项研究中，我们提出并验证了一种优化的Se基SOM设备组成，可以实现50纳秒的超快写入速度。这一结果突显了SOM作为下一代非易失性内存应用的竞争性候选者的潜力，特别是那些需要低延迟操作的应用，如基于CXL的内存系统。为了阐明Ge（SOM操作中的关键成分）的组成影响，我们系统地将Ge/Se比例从0.8变化到1.1

设备制造

₂基底上制造的。作为底部电极（BE）的30纳米厚的W层是通过物理气相沉积（PVD）沉积的。电极图案化使用标准光刻技术进行，随后在以下条件下进行电感耦合等离子体反应离子刻蚀（ICP-RIE）：300瓦ICP功率、50瓦偏置功率，以及每分钟4标准立方厘米（sccm）的Ar和30 sccm的Cl₂气体，在5毫托（5 mTorr）的压力下。刻蚀速率约为1纳米/分钟。

CRediT作者贡献声明

Jaeho Jung：撰写——原始草稿、研究、正式分析、概念化。Won Hee Jeong：方法论、正式分析、数据管理。Min Kyu Yang：撰写——原始草稿、可视化、正式分析、概念化。Gun Hwan Kim：撰写——原始草稿、监督、项目管理、资金获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

Jaeho Jung和Won Hee Jeong对这项研究做出了同等贡献。本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）资助的下一代智能半导体研发计划的支持（由韩国政府（MSIT）提供资金（RS-2024-00445552）。这项工作还得到了韩国政府（MSIT）资助的信息与通信技术规划与评估研究所（IITP）的资助（RS-2025-09942968）。这项工作还得到了三星的支持