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开发新型相变存储材料与技术 推出新一代嵌入式相变存储芯片

2020-09-21

 

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。相变存储器(PCRAM)基于相变材料在非晶态和晶态之间的快速可逆转变实现信息存储,具有非易失性、高速、低功耗、长寿命、可三维集成以及与新型互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容等优点。国家重点研发计划“纳米科技”重点专项“高密度交叉阵列结构的新型存储器件与集成”项目(项目编号:2017YFA0206100),面向物联网和消费型电子产品等相关产业及国家信息安全对新一代高密度存储器件的需求,针对现有嵌入式动态随机存取存储器(DRAM)和闪存(FLASH)存在的物理极限和与新型CMOS工艺不兼容等问题,从新材料、新结构、器件集成和共性技术等基础层面进行创新研究,将材料生长、新型器件、新工艺和电路研究等系列工作有机结合,开展新一代高密度交叉阵列嵌入式PCRAM研究;筛选新型低功耗、高速相变存储材料和器件结构,阐明套构八面体构建新型相变材料物理本质、低功耗与高速存储机理,突破限制型存储单元制备工艺;开发新型选通管材料与器件,优化出选通性能优异的阈值开关(OTS)材料,揭示选通管阈值转换、导电熔丝开关的微观变化机制和载流子非线性输运物理本质;解决40 nm节点非标交叉相变存储阵列与CMOS集成的存储器成套工艺,获得容量为128 Mb的嵌入式PCRAM,并实现其在物联网或智能手机的示范性应用。
该项目第一承担单位为中国科学院上海微系统与信息技术研究所,协同中国科学院微电子研究所、中芯国际集成电路有限公司和中国科学院上海高等研究院共同参与,项目负责人为中国科学院上海微系统与信息技术研究所宋志棠研究员,项目周期为2017年7月至2022年6月。项目瞄准高密度相变存储器所需新型相变材料、开关材料、集成工艺和应用等问题,设置“新型相变材料开发与机理研究”“新型选通管开发与机理研究”“相变存储芯片集成技术研究”“相变存储芯片应用研究”4个课题。各课题组针对高密度交叉阵列结构的相变存储器件与集成的不同方向,协同完成项目目标和研究内容,目前已在新型相变存储材料和相变存储芯片等方面取得一系列阶段性成果。
 
1 相变材料可逆相变机理与新型相变材料研发
相变材料纳秒级高速可逆相变与相变存储器的速度相关,单相材料是实现高密度存储的关键,细化晶粒与稳定晶界是避免组份偏析实现存储器长寿命的核心,抑制四方相向六方相转变是实现低功耗的途径,这些都是相变存储器关键的科学与技术问题,也是世界性难题。宋志棠研究员提出八面体原子基元与三维限定相变理论,从原子尺度通过理论计算与实验观察阐明了八面体原子基元是可逆相变基本单元,稳定八面体的存在是相变材料高速、低功耗的来源;提出高密度存储材料的筛选原则是八面体基元的晶格匹配;发现C原子在相变材料中构造细小晶粒形成稳定晶界对避免组份偏析发挥重要作用,同时抑制了四方相向六方相转化,是实现材料加工过程的热稳定性与存储擦写长寿命的关键。
项目组在上述理论的指导下开发出相变材料Sc-Sb-Te,因Sc-Te稳定八面体基元可成为非晶向多晶转化的晶核,加快了晶化速度,使该材料的写速度达到了700 ps(图1),是DRAM的速度的10倍,功耗只有传统Ge2Sb2Te5材料的10%,该项研究成果发表在Science上,是相变材料问世50年来在该期刊发表的首篇关于新型相变材料的文章,同时被列为中国科学院改革开放四十年40项标志性成果之一。
Sc-Sb-Te相变存储材料是目前报道的速度处于世界领跑水平的相变材料,该材料的发现为我国自主相变存储器在存储级内存的应用奠定了基础。该成果获得2019年中国材料研究学会科学技术奖一等奖。
 
2 相变存储器集成工艺开发
中国科学院上海微系统与信息技术研究所与中芯国际集成电路有限公司合作,在2840 nm CMOS工艺与12英寸晶圆上,开发出151道非标的相变存储阵列工艺,攻克了3 nm尺寸的小电极制备工艺,解决了纳米尺度多组元、多界面疏松软质相变材料的浸没式曝光、刻蚀与抛光等核心工艺难题,发明了自钳位全差分读电路及高密度平面堆叠阵列结构,解决了相变存储器的高密度与高速读写问题,实现了自主材料、结构、设计与工艺技术整合,存储阵列成品率达到99.999 9%,12英寸芯片成品率在95%以上,实现国内先进的128M嵌入式PCRAM芯片(图2),并达到量产要求。研究成果获第20届中国国际工业博览会创新银奖。
 
3 新一代嵌入式相变存储芯片研制
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有限公司,在40 nm工艺节点,采用碳掺杂的GST材料作为存储介质,研制出128 Mb相变存储器芯片。该芯片Reset/Set比值超过100,芯片良品率达到93.3%,疲劳寿命超过108。该芯片具有良好的热可靠性,10年数据保持力高达128℃,260℃烘烤5分钟后存储窗口保持良好,完全满足嵌入式存储器应用要求。研究成果入选第64届国际电子器件大会(IEDM)会议论文,标志着中国科学院上海微系统与信息技术研究所在相变存储器研究领域已经处于国际先进水平,表明我国相变存储器的研究获得了国际同行的认可。
该芯片读写速度是NAND Flash的1 000倍以上,疲劳寿命比Flash提升23个量级,适用于工业控制系统、网络和数据存储应用、多功能打印机等需要高速随机存取、高疲劳寿命、低压低功耗操作、掉电不丢失数据等特性的应用系统,单一芯片即能替代传统的缓存(SRAM、DRAM等)+主存(Flash、EEPROM等)的存储系统,可提升系统性能并降低应用成本,是目前国内先进的嵌入式存储技术。“高速低功耗嵌入式相变存储器”研究成果获得第五届“纳米之星”创新创业大赛团队组一等奖。