高速低功耗新型鈧銻碲相變存儲材料研究獲重要發(fā)現

　　集成電路產業(yè)是“十三五”國家戰(zhàn)略新興產業(yè)。存儲器是集成電路最重要的技術之一，是國家核心競爭力的重要體現。我國作為全球電子產品的制造基地，存儲器的自給能力還相對較弱。國外三星、英特爾等大型半導體公司對存儲器技術與產品壟斷，對我國信息產業(yè)發(fā)展與信息安全形成重大隱患。發(fā)展國內自主知識產權的新型半導體存儲技術迫在眉睫。

　　中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所聯合中芯國際集成電路制造有限公司，選擇以嵌入式相變存儲器（PCRAM）為切入點，在國家重點研發(fā)計劃納米科技重點專項、國家科技重大專項“極大規(guī)模集成電路制造裝備及成套工藝”專項、國家自然科學基金、中科院A類戰(zhàn)略性先導科技專項、上海市領軍人才、上海市科委等項目的資助下，經過十余年的研究，在存儲材料篩選、嵌入式器件設計、PCRAM的基礎制造技術取得系列重要科技進展。

　　近期，上海微系統(tǒng)所宋志棠科研團隊在新型相變存儲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計思路，即以減小非晶相變薄膜內成核的隨機性來實現相變材料的高速晶化。通過第一性理論計算與分子動力學模擬，從眾多過渡族元素中，優(yōu)選出鈧（Sc）作為摻雜元素，設計發(fā)明了低功耗、長壽命、高穩(wěn)定性的Sc-Sb-Te材料，Sc與Te形成的穩(wěn)定八面體，成為成核核心是實現高速、低功耗存儲的主要原因，具有獨立自主知識產權（國際專利PCT/CN2016/096649，中國專利201610486617.8）。利用0.13um CMOS工藝制備的Sc-Sb-Te基相變存儲器件實現了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%，且十年的數據保持力相當；通過進一步優(yōu)化材料與微縮器件尺寸，Sc-Sb-Te基PCRAM綜合性能將會得到進一步提升。

　　11月9日的《科學》（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相變存儲材料的重大發(fā)現來自于上海微系統(tǒng)所科研團隊在相變存儲器方面的長期科研工作積累。該科研團隊陸續(xù)開發(fā)出了我國第一款8Mb PCRAM試驗芯片，發(fā)現了比國際量產的Ge-Sb-Te性能更好的Ti-Sb-Te自主新型相變存儲材料，開發(fā)基于0.13umCMOS工藝的打印機用嵌入式PCRAM產品已獲得首個1500萬顆的訂單；自主研發(fā)的雙溝道隔離的4F2高密度二極管技術，自讀存儲器已開始送樣，晶體管密度達到國際先進水平；40nm節(jié)點PCRAM試驗芯片的單元成品率達99.99%以上，4Mb、64Mb不加修正的芯片在先進信息系統(tǒng)上實現試用。

　　Sc-Sb-Te新型相變存儲材料的重大發(fā)現，尤其是在高密度、高速存儲器上應用驗證，對于我國突破國外技術壁壘、開發(fā)自主知識產權的存儲器芯片具有重要的價值，對我國的存儲器跨越式發(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)相變存儲器件0.7納秒高速寫入操作演示及微觀結晶化機理