高速低功耗新型鈧銻碲相變存儲材料研究獲重要發現

　　集成電路產業是“十三五”國家戰略新興產業。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，對我國信息產業發展與信息安全形成重大隱患。發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，在國家重點研發計劃納米科技重點專項、國家科技重大專項“極大規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，優選出鈧（Sc）作為摻雜元素，設計發明了低功耗、長壽命、高穩定性的Sc-Sb-Te材料，Sc與Te形成的穩定八面體，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ZLPCT/CN2016/096649，中國ZL201610486617.8）。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，循環壽命大于107次。相比傳統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，在線發表了這一重要研究成果。

　　Sc-Sb-Te相變存儲材料的重大發現來自于上海微系統所科研團隊在相變存儲器方面的長期科研工作積累。該科研團隊陸續開發出了我國第一款8Mb PCRAM試驗芯片，發現了比國際量產的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上實現試用。

　　Sc-Sb-Te新型相變存儲材料的重大發現，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展、信息安全與戰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