存儲器是集成電路最重要的技術(shù)之一，是集成電路核心競爭力的重要體現(xiàn)。然而，我國作為IC產(chǎn)業(yè)最大的消費(fèi)國，相較于國外三星、英特爾等大型半導(dǎo)體公司的存儲器技術(shù)與產(chǎn)品而言，我國存儲器的自給能力還相對較弱。在對存儲芯片材料的研發(fā)刻不容緩之際，相變存儲器走進(jìn)了人們的視野。近日，《中國電子報》就相變材料發(fā)展問題，采訪了中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所納米材料與器件實驗室主任宋志棠。
“改變未來”的存儲技術(shù)
近年來，集成電路技術(shù)的發(fā)展對存儲器芯片的功耗、壽命、尺寸、持久力等各項性能指標(biāo)均提出了更高要求，世界各國科學(xué)家都在加緊攻關(guān)存儲材料研發(fā)。
據(jù)悉，相變存儲器是一種高性能、非易失性存儲器，而相變材料基于硫?qū)倩衔锊Ａ?。此類化合物有一個很重要的特性，那就是當(dāng)它們從一相移動到另一相時，可以改變它們的電阻。該材料的結(jié)晶相是低電阻相，而非晶相為高電阻相，通過施加或消除電流來完成相變。
與基于NAND的傳統(tǒng)非易失性存儲器不同，相變存儲器設(shè)備可以實現(xiàn)幾乎無限數(shù)量的寫入。此外，相變存儲器的優(yōu)勢還包括：訪問響應(yīng)時間短、字節(jié)可尋址、隨機(jī)讀寫等。因此，相變存儲器也被稱為是能夠“改變未來”的存儲技術(shù)之一。與此同時，相變材料也成了存儲芯片材料研究的重中之重。
2017年，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所納米材料與器件實驗室主任宋志棠博士帶領(lǐng)科研團(tuán)隊，在新型相變存儲材料研究方面取得了重大突破，創(chuàng)新提出一種高速相變材料的設(shè)計思路，即以減小非晶相變薄膜內(nèi)成核的隨機(jī)性來實現(xiàn)相變材料的高速晶化。
宋志棠向《中國電子報》記者介紹，目前國際上通用的相變存儲材料是“鍺銻碲”（Ge-Sb-Te），并且已經(jīng)有很多芯片制造公司在進(jìn)行相關(guān)研究。例如，內(nèi)存芯片制造商SK海力士公司在2018年已開始生產(chǎn)基于相變材料的3D交叉點(diǎn)存儲器，用于SCM的3D crosspoint存儲單元，是由基于硫化物的相變材料制成的。
此外，IBM研究曾表明，通過使用基于相變存儲器的模擬芯片，機(jī)器學(xué)習(xí)能力可以加速1000倍。IBM公司也曾透露，IBM正在建立一個研究中心以開發(fā)新一代AI硬件，并挖掘相變存儲器在AI領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。
創(chuàng)新提出穩(wěn)定八面體
儲存器在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中有著舉足輕重的地位。中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示，2018年全球半導(dǎo)體市場規(guī)模為4780億美元，存儲器市場規(guī)模為1650億美元，占全球半導(dǎo)體市場規(guī)模的35%。存儲器產(chǎn)業(yè)如今形成了DRAM芯片、NADA Flash芯片、特殊存儲器三個相對獨(dú)立的市場。然而，隨著摩爾定律的延伸，技術(shù)需求也越來越高，傳統(tǒng)存儲芯片的弊端也逐漸開始顯現(xiàn)。
“隨著芯片技術(shù)節(jié)點(diǎn)接近其物理極限，電容器中電子數(shù)量的減少，使DRAM存儲器更容易受到外部電荷的影響；Flash在工作時面臨嚴(yán)重的串?dāng)_問題，從而縮短其使用壽命；SRAM在信噪比和軟故障方面也存在問題。此外，當(dāng)芯片制程小于28nm時，這些問題會變得更加嚴(yán)重。”宋志棠向《中國電子報》記者說道。
此外，宋志棠還提到，以前的存儲技術(shù)，如DRAM和Flash存儲器與采用高介電常數(shù)（high-k）、金屬柵（MG）和翼結(jié)構(gòu)的新型應(yīng)用CMOS技術(shù)并不兼容。因此，全球范圍內(nèi)都在對非易失性存儲技術(shù)進(jìn)行研究和開發(fā)，使其能夠與新的CMOS技術(shù)兼容，且具有良好的可擴(kuò)展性、三維集成能力、快速運(yùn)算能力、低功耗和長壽命，而相變存儲器便是其中的一種。
宋志棠表示，新型相變材料以穩(wěn)定八面體作為成核中心來減小非晶成核的隨機(jī)性，并實現(xiàn)相變材料的高速晶化，這是在自主相變八面體基元與面心立方亞穩(wěn)態(tài)理論的指導(dǎo)下，創(chuàng)新提出一種兩個八面體晶格與電子結(jié)構(gòu)相匹配的研發(fā)思路。通過第一性理論計算與分子動力學(xué)模擬，從眾多過渡族元素中，優(yōu)選出鈧（Sc）、銥（Y）作為摻雜元素，通過存儲單元存儲性能測試，尤其是對存儲單元高速擦寫的測試，發(fā)明了高速、低功耗、長壽命、高穩(wěn)定性的“鈧銻碲”（Sc-Sb-Te）相變材料。利用0.13um CMOS工藝制備的Sc-Sb-Te基相變存儲器件實現(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基相變存儲器件，Sc-Sb-Te基相變存儲器件操作功耗降低了90%，且十年的數(shù)據(jù)保持力相當(dāng)。通過進(jìn)一步優(yōu)化材料與微縮器件尺寸，Sc-Sb-Te基PCRAM綜合性能將會得到進(jìn)一步提升。
宋志棠認(rèn)為，將Sc-Te穩(wěn)定八面體作為成核生長核心是實現(xiàn)高速、低功耗的主要原因，而晶格與電子結(jié)構(gòu)匹配是長壽命的主要原因。此外，穩(wěn)定八面體抑制面心立方向六方（FCC-HEX）轉(zhuǎn)化也是實現(xiàn)高速、低功耗的原因之一。
對變現(xiàn)材料的三點(diǎn)建議
如今，半導(dǎo)體電子工業(yè)市場已經(jīng)成為相變材料的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。QY Research數(shù)據(jù)表明，2018年，相變材料在半導(dǎo)體電子工業(yè)市場的市場份額為17.69%。2019年，相變材料的市場總值已達(dá)到54億元。預(yù)計2026年，相變材料的市場總值將增長到121億元，年增長率為12.2%。
宋志棠認(rèn)為，隨著儲存設(shè)備的應(yīng)用越來越廣泛，相變存儲材料未來在半導(dǎo)體領(lǐng)域中的應(yīng)用也將越來越多。然而，相變材料在半導(dǎo)體領(lǐng)域若想突破基礎(chǔ)創(chuàng)新的初級階段，需要盡快走出實驗室，將其運(yùn)用到更多的產(chǎn)品中。
“目前相變材料還處于創(chuàng)新初級階段，且可參照的東西也有限。然而，眾人拾柴火焰高，若希望相變材料能夠在半導(dǎo)體領(lǐng)域得到更廣泛的運(yùn)用，還需要整個產(chǎn)業(yè)鏈對此多加關(guān)注，協(xié)同發(fā)展。產(chǎn)、學(xué)、研緊密結(jié)合，才能夠真正實現(xiàn)質(zhì)的飛躍。”宋志棠說道。
對于未來相變材料在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中的技術(shù)發(fā)展需求，宋志棠認(rèn)為主要有三點(diǎn)：其一，高純度。半導(dǎo)體材料對于純度的要求是非常高的，因為原料純度低往往會直接影響器件的性能，所以所有的半導(dǎo)體材料都需要對原料進(jìn)行提純。其二，高重復(fù)性。對于半導(dǎo)體這類高技術(shù)型產(chǎn)業(yè)，研發(fā)周期長且研發(fā)費(fèi)用高昂，因此半導(dǎo)體材料需要有很高的重復(fù)利用性。其三，高可靠性以及穩(wěn)定性。在半導(dǎo)體領(lǐng)域中，每一個步驟都十分關(guān)鍵，因此需要研究人員時刻保持嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度，否則很容易造成巨大損失。
