高速低功耗新型鈧銻碲相變存儲(chǔ)材料研究獲重要發(fā)現(xiàn)

　　集成電路產(chǎn)業(yè)是“十三五”國(guó)家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)。存儲(chǔ)器是集成電路最重要的技術(shù)之一，是國(guó)家核心競(jìng)爭(zhēng)力的重要體現(xiàn)。我國(guó)作為全球電子產(chǎn)品的制造基地，存儲(chǔ)器的自給能力還相對(duì)較弱。國(guó)外三星、英特爾等大型半導(dǎo)體公司對(duì)存儲(chǔ)器技術(shù)與產(chǎn)品壟斷，對(duì)我國(guó)信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展與信息安全形成重大隱患。發(fā)展國(guó)內(nèi)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型半導(dǎo)體存儲(chǔ)技術(shù)迫在眉睫。

　　中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所聯(lián)合中芯國(guó)際集成電路制造有限公司，選擇以嵌入式相變存儲(chǔ)器（PCRAM）為切入點(diǎn)，在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃納米科技重點(diǎn)專項(xiàng)、國(guó)家科技重大專項(xiàng)“極大規(guī)模集成電路制造裝備及成套工藝”專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院A類戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、上海市領(lǐng)軍人才、上海市科委等項(xiàng)目的資助下，經(jīng)過(guò)十余年的研究，在存儲(chǔ)材料篩選、嵌入式器件設(shè)計(jì)、PCRAM的基礎(chǔ)制造技術(shù)取得系列重要科技進(jìn)展。

　　近期，上海微系統(tǒng)所宋志棠科研團(tuán)隊(duì)在新型相變存儲(chǔ)材料方面取得重大突破，創(chuàng)新提出一種高速相變材料的設(shè)計(jì)思路，即以減小非晶相變薄膜內(nèi)成核的隨機(jī)性來(lái)實(shí)現(xiàn)相變材料的高速晶化。通過(guò)第一性理論計(jì)算與分子動(dòng)力學(xué)模擬，從眾多過(guò)渡族元素中，優(yōu)選出鈧（Sc）作為摻雜元素，設(shè)計(jì)發(fā)明了低功耗、長(zhǎng)壽命、高穩(wěn)定性的Sc-Sb-Te材料，Sc與Te形成的穩(wěn)定八面體，成為成核核心是實(shí)現(xiàn)高速、低功耗存儲(chǔ)的主要原因，具有獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)（國(guó)際專利PCT/CN2016/096649，中國(guó)專利201610486617.8）。利用0.13um CMOS工藝制備的Sc-Sb-Te基相變存儲(chǔ)器件實(shí)現(xiàn)了700皮秒的高速可逆寫擦操作，循環(huán)壽命大于107次。相比傳統(tǒng)Ge-Sb-Te器件，其操作功耗降低了90%，且十年的數(shù)據(jù)保持力相當(dāng)；通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化材料與微縮器件尺寸，Sc-Sb-Te基PCRAM綜合性能將會(huì)得到進(jìn)一步提升。

　　11月9日的《科學(xué)》（10.1126/science.aao3212 (2017)）雜志以Reducing the stochasticity of crystal nucleation to enable subnanosecond memory writing 為題，在線發(fā)表了這一重要研究成果。

　　Sc-Sb-Te相變存儲(chǔ)材料的重大發(fā)現(xiàn)來(lái)自于上海微系統(tǒng)所科研團(tuán)隊(duì)在相變存儲(chǔ)器方面的長(zhǎng)期科研工作積累。該科研團(tuán)隊(duì)陸續(xù)開發(fā)出了我國(guó)第一款8Mb PCRAM試驗(yàn)芯片，發(fā)現(xiàn)了比國(guó)際量產(chǎn)的Ge-Sb-Te性能更好的Ti-Sb-Te自主新型相變存儲(chǔ)材料，開發(fā)基于0.13umCMOS工藝的打印機(jī)用嵌入式PCRAM產(chǎn)品已獲得首個(gè)1500萬(wàn)顆的訂單；自主研發(fā)的雙溝道隔離的4F2高密度二極管技術(shù)，自讀存儲(chǔ)器已開始送樣，晶體管密度達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平；40nm節(jié)點(diǎn)PCRAM試驗(yàn)芯片的單元成品率達(dá)99.99%以上，4Mb、64Mb不加修正的芯片在先進(jìn)信息系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)試用。

　　Sc-Sb-Te新型相變存儲(chǔ)材料的重大發(fā)現(xiàn)，尤其是在高密度、高速存儲(chǔ)器上應(yīng)用驗(yàn)證，對(duì)于我國(guó)突破國(guó)外技術(shù)壁壘、開發(fā)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的存儲(chǔ)器芯片具有重要的價(jià)值，對(duì)我國(guó)的存儲(chǔ)器跨越式發(fā)展、信息安全與戰(zhàn)略需求具有重要意義。

新型鈧銻碲(Sc-Sb-Te)相變存儲(chǔ)器件0.7納秒高速寫入操作演示及微觀結(jié)晶化機(jī)理