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相变材料开启储存芯片新天地

相变材料开启储存芯片新天地

来源:
中国电子报 沈丛
2020/09/30
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存储器是集成电路最重要的技术之一,是集成电路核心竞争力的重要体现。然而,我国作为IC产业最大的消费国,相比较于国外三星、英特尔等大型半导体公司的存储器技术与产品而言,我国存储器的自给能力还相对较弱,因此对于存储芯片材料的研发刻不容缓,相变存储器就此走入了人们的视野。与基于NAND的传统非易失性存储器不同,相变存储器设备可以实现几乎无限数量的写入。此外,相变存储器的优势还包括:访问响应时间短、字节可寻址、随机读写等,因此,相变存储器也被称为是能够“改变未来”的存储技术之一。与此同时,对于相变材料也成为了研究存储芯片材料中的重点。

       “改变未来”的存储技术之一
       近年来,集成电路技术的发展对存储器芯片的功耗、寿命、尺寸、持久力等各项性能指标均提出了更高要求,世界各国科学家都在加紧攻关存储材料研发。据悉,相变存储器是一种高性能、非易失性存储器,相变材料基于硫属化合物玻璃。此类化合物有一个很重要的特性,当它们从一相移动到另一相时能够改变它们的电阻。该材料的结晶相是低电阻相,而非晶相为高电阻相,通过施加或消除电流来完成相变。
       2017年,中国科学院上海微系统与信息技术研究所纳米材料与器件实验室主任宋志棠博士带领科研团队在新型相变存储材料研究方面取得重大突破,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。
       宋志棠向中国电子报记者介绍,目前国际上通用的相变存储材料是“锗锑碲”(Ge-Sb-Te),并且已经有很多芯片制造公司在进行相关的研究。例如,内存芯片制造商SK海力士公司在2018年已开始生产基于相变材料的3D交叉点存储器,用于SCM的3D crosspoint 存储单元,是由基于硫化物的相变材料制成的。此外,IBM 研究曾表明,通过使用基于相变存储器的模拟芯片,机器学习能力可以加速一千倍。IBM公司也曾透露,IBM正在建立一个研究中心,以开发新一代AI硬件,挖掘相变存储器在AI领域的应用潜力。

       相变材料助力储存设备与新的CMOS技术兼容
       储存器在半导体产业中有着举足轻重的地位,中国产业信息网数据显示,2018年全球半导体市场规模4780亿美元,存储器市场规模为1650亿美元,占全球半导体市场规模的比例为35%。存储器产业如今形成了DRAM芯片、NADA Flash芯片、特殊存储器三个相对独立的市场。然而,随着摩尔定律的延伸,技术需求也越来越高,传统存储芯片的弊端也逐渐开始显现。
      “随着芯片技术节点接近其物理极限,电容器中电子数量减少,DRAM存储器更容易受到外部电荷的影响;Flash在工作时面临严重的串扰问题,从而会缩短使用寿命;SRAM在信噪比和软故障方面也会存在一些问题。此外,当芯片制程小于28nm时,这些问题会变得更加严重。”宋志棠向中国电子报记者说道。
       此外,宋志棠提到,以前的存储技术,如DRAM和Flash存储器,与采用高介电常数(high-k)、金属栅(MG)和翼结构的新型应用CMOS技术不兼容。因此,全球范围内都在对非易失性存储技术进行研究和开发,使其能够与新的CMOS技术兼容,且具有良好的可扩展性、三维集成能力、快速运算能力、低功耗和长寿命,而相变存储器便是其中的一种。
       宋志棠介绍,新型相变材料,以稳定八面体作为成核中心来减小非晶成核的随机性实现相变材料的高速晶化,这是在自主相变八面体基元与面心立方亚稳态理论的指导下,创新提出一种两个八面体晶格与电子结构相匹配的研发思路。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、铱(Sc、Y)作为掺杂元素,通过存储单元存储性能测试,尤其是对存储单元高速擦写的测试,发明了高速、低功耗、长寿命、高稳定性的“钪锑碲”(Sc-Sb-Te)相变材料,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基相变存储器件,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。 宋志棠介绍,Sc-Te稳定八面体作为成核生长核心是高速、低功耗的主要原因,晶格与电子结构匹配是长寿命主要原因,稳定八面体抑制面心立方向六方(FCC-HEX)转化也是高速、低功耗的原因之一。

       众人拾柴火焰高
       半导体电子工业市场如今已经成为相变材料的主要应用领域之一,QYResearch 数据表明,在2018年,相变材料在半导体电子工业市场的市场份额为17.69%。在2019年相变材料的市场总值已达到54亿元,预计2026年将增长到121亿元,年份和增长率12.2%。
        宋志棠认为,随着储存设备的应用越来越广泛,相变存储材料未来在半导体领域中的应用也将越来越多。然而,相变材料在半导体领域若想走出基础创新初级阶段,下一步需要走出实验室,运用到更多的产品中。
        “目前相变材料还处于创新初级阶段,且可参照的东西也有限。然而,众人拾柴火焰高,若希望相变材料能够在半导体领域得到更广泛的运用,需要整个产业链协对此多加关注,协同发展。产、学、研紧密结合,才能够真正实现质的飞跃。”宋志棠说道。
       对于相变材料在半导体产业中未来的技术发展需求,宋志棠认为主要有三点。“其一,高纯度。对于半导体材料而言,纯度的要求是非常高的,所有的半导体材料都需要对原料进行提纯,纯度低往往会直接影响器件的性能。其二,高重复性。对于半导体这类的高技术型产业,研发周期长且研发费用高昂,因此半导体材料需要有很高的重复利用性。其三,高可靠性以及稳定性。在半导体领域中,每一个步骤都非常关键,因此需要非常严谨,否则很容易造成一步错步步错,对于上游材料而言也不例外。”宋志棠说道。
(专访地点:2020中国半导体材料创新发展大会)

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