存儲(chǔ)器是集成電路最重要的技術(shù)之一，是集成電路核心競(jìng)爭(zhēng)力的重要體現(xiàn)。然而，我國(guó)作為IC產(chǎn)業(yè)最大的消費(fèi)國(guó)，相較于國(guó)外三星、英特爾等大型半導(dǎo)體公司的存儲(chǔ)器技術(shù)與產(chǎn)品而言，我國(guó)存儲(chǔ)器的自給能力還相對(duì)較弱。在對(duì)存儲(chǔ)芯片材料的研發(fā)刻不容緩之際，相變存儲(chǔ)器走進(jìn)了人們的視野。近日，《中國(guó)電子報(bào)》就相變材料發(fā)展問(wèn)題，采訪了中國(guó)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(shí)驗(yàn)室主任宋志棠。

“改變未來(lái)”的存儲(chǔ)技術(shù)

近年來(lái)，集成電路技術(shù)的發(fā)展對(duì)存儲(chǔ)器芯片的功耗、壽命、尺寸、持久力等各項(xiàng)性能指標(biāo)均提出了更高要求，世界各國(guó)科學(xué)家都在加緊攻關(guān)存儲(chǔ)材料研發(fā)。

據(jù)悉，相變存儲(chǔ)器是一種高性能、非易失性存儲(chǔ)器，而相變材料基于硫?qū)倩衔锊ＡА４祟惢衔镉幸粋€(gè)很重要的特性，那就是當(dāng)它們從一相移動(dòng)到另一相時(shí)，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(guò)施加或消除電流來(lái)完成相變。

與基于NAND的傳統(tǒng)非易失性存儲(chǔ)器不同，相變存儲(chǔ)器設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)幾乎無(wú)限數(shù)量的寫入。此外，相變存儲(chǔ)器的優(yōu)勢(shì)還包括：訪問(wèn)響應(yīng)時(shí)間短、字節(jié)可尋址、隨機(jī)讀寫等。因此，相變存儲(chǔ)器也被稱為是能夠“改變未來(lái)”的存儲(chǔ)技術(shù)之一。與此同時(shí)，相變材料也成了存儲(chǔ)芯片材料研究的重中之重。

2017年，中國(guó)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(shí)驗(yàn)室主任宋志棠博士帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)，在新型相變存儲(chǔ)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(jì)思路，即以減小非晶相變薄膜內(nèi)成核的隨機(jī)性來(lái)實(shí)現(xiàn)相變材料的高速晶化。

宋志棠向《中國(guó)電子報(bào)》記者介紹，目前國(guó)際上通用的相變存儲(chǔ)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(chǔ)器，用于SCM的3D crosspoint 存儲(chǔ)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(guò)使用基于相變存儲(chǔ)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(gè)研究中心以開發(fā)新一代AI硬件，并挖掘相變存儲(chǔ)器在AI領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

創(chuàng)新提出穩(wěn)定八面體

儲(chǔ)存器在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中有著舉足輕重的地位。中國(guó)產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示，2018年全球半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模為4780億美元，存儲(chǔ)器市場(chǎng)規(guī)模為1650億美元，占全球半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模的35%。存儲(chǔ)器產(chǎn)業(yè)如今形成了DRAM芯片、NADA Flash芯片、特殊存儲(chǔ)器三個(gè)相對(duì)獨(dú)立的市場(chǎng)。然而，隨著摩爾定律的延伸，技術(shù)需求也越來(lái)越高，傳統(tǒng)存儲(chǔ)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(chǔ)器更容易受到外部電荷的影響；Flash在工作時(shí)面臨嚴(yán)重的串?dāng)_問(wèn)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(wèn)題。此外，當(dāng)芯片制程小于28nm時(shí)，這些問(wèn)題會(huì)變得更加嚴(yán)重。”宋志棠向《中國(guó)電子報(bào)》記者說(shuō)道。

此外，宋志棠還提到，以前的存儲(chǔ)技術(shù)，如DRAM和Flash存儲(chǔ)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(duì)非易失性存儲(chǔ)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(zhǎng)壽命，而相變存儲(chǔ)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(lái)減小非晶成核的隨機(jī)性，并實(shí)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(gè)八面體晶格與電子結(jié)構(gòu)相匹配的研發(fā)思路。通過(guò)第一性理論計(jì)算與分子動(dòng)力學(xué)模擬，從眾多過(guò)渡族元素中，優(yōu)選出鈧（Sc）、銥（Y）作為摻雜元素，通過(guò)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)性能測(cè)試，尤其是對(duì)存儲(chǔ)單元高速擦寫的測(cè)試，發(fā)明了高速、低功耗、長(zhǎng)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(chǔ)器件實(shí)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(chǔ)器件，Sc-Sb-Te基相變存儲(chǔ)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(guò)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(huì)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(zhǎng)核心是實(shí)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(zhǎng)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(shí)現(xiàn)高速、低功耗的原因之一。

對(duì)變現(xiàn)材料的三點(diǎn)建議

如今，半導(dǎo)體電子工業(yè)市場(chǎng)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(chǎng)的市場(chǎng)份額為17.69%。2019年，相變材料的市場(chǎng)總值已達(dá)到54億元。預(yù)計(jì)2026年，相變材料的市場(chǎng)總值將增長(zhǎng)到121億元，年增長(zhǎng)率為12.2%。

宋志棠認(rèn)為，隨著儲(chǔ)存設(shè)備的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，相變存儲(chǔ)材料未來(lái)在半導(dǎo)體領(lǐng)域中的應(yīng)用也將越來(lái)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(jí)階段，需要盡快走出實(shí)驗(yàn)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(jí)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(gè)產(chǎn)業(yè)鏈對(duì)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(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍。”宋志棠說(shuō)道。

對(duì)于未來(lái)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(duì)于純度的要求是非常高的，因?yàn)樵霞兌鹊屯鶗?huì)直接影響器件的性能，所以所有的半導(dǎo)體材料都需要對(duì)原料進(jìn)行提純。其二，高重復(fù)性。對(duì)于半導(dǎo)體這類高技術(shù)型產(chǎn)業(yè)，研發(fā)周期長(zhǎng)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(gè)步驟都十分關(guān)鍵，因此需要研究人員時(shí)刻保持嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度，否則很容易造成巨大損失。