集成电路产业是 '十三五' 国家战略新兴产业. 存储器是集成电路最重要的技术之一, 是国家核心竞争力的重要体现. 我国作为全球电子产品的制造基地, 存储器的自给能力还相对较弱. 国外三星, 英特尔等大型半导体公司对存储器技术与产品垄断, 对我国信息产业发展与信息安全形成重大隐患. 发展国内自主知识产权的新型半导体存储技术迫在眉睫.
中国科学院上海微系统与信息技术研究所联合中芯国际集成电路制造有限公司, 选择以嵌入式相变存储器 (PCRAM) 为切入点, 在国家重点研发计划纳米科技重点专项, 国家科技重大专项 '极大规模集成电路制造装备及成套工艺' 专项, 国家自然科学基金, 中科院A类战略性先导科技专项, 上海市领军人才, 上海市科委等项目的资助下, 经过十余年的研究, 在存储材料筛选, 嵌入式器件设计, PCRAM的基础制造技术方面取得系列重要科技进展.
近期, 上海微系统所宋志棠科研团队在新型相变存储材料方面取得重大突破, 创新提出一种高速相变材料的设计思路, 即以减小非晶相变薄膜内成核的随机性来实现相变材料的高速晶化. 通过第一性理论计算与分子动力学模拟, 从众多过渡族元素中, 优选出钪 (Sc) 作为掺杂元素, 设计发明了低功耗, 长寿命, 高稳定性的Sc-Sb-Te材料, Sc与Te形成的稳定八面体, 成为成核核心是实现高速, 低功耗存储的主要原因, 具有独立自主知识产权 (国际专利PCT/CN2016/096649, 中国专利201610486617.8) . 利用0.13um CMOS工艺制备的Sc-Sb-Te基相变存储器件实现了700皮秒的高速可逆写擦操作, 循环寿命大于107次. 相比传统Ge-Sb-Te器件, 其操作功耗降低了90%, 且十年的数据保持力相当; 通过进一步优化材料与微缩器件尺寸, Sc-Sb-Te基PCRAM综合性能将会得到进一步提升.
11月9日的《科学》 (10.1126/science.aao3212 (2017)) 杂志以Reducing the stochasticity of crystal nucleation to enable subnanosecond memory writing 为题, 在线发表了这一重要研究成果.
Sc-Sb-Te相变存储材料的重大发现来自于上海微系统所科研团队在相变存储器方面的长期科研工作积累. 该科研团队陆续开发出了我国第一款8Mb PCRAM试验芯片, 发现了比国际量产的Ge-Sb-Te性能更好的Ti-Sb-Te自主新型相变存储材料, 开发基于0.13umCMOS工艺的打印机用嵌入式PCRAM产品已获得首个1500万颗的订单; 自主研发的双沟道隔离的4F2高密度二极管技术, 自读存储器已开始送样, 晶体管密度达到国际先进水平; 40nm节点PCRAM试验芯片的单元成品率达99.99%以上, 4Mb, 64Mb不加修正的芯片在先进信息系统上实现试用.
Sc-Sb-Te新型相变存储材料的重大发现, 尤其是在高密度, 高速存储器上应用验证, 对于我国突破国外技术壁垒, 开发自主知识产权的存储器芯片具有重要的价值, 对我国的存储器跨越式发展, 信息安全与战略需求具有重要意义.
新型钪锑碲(Sc-Sb-Te)相变存储器件0.7纳秒高速写入操作演示及微观结晶化机理
