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    相變材料開啟儲存芯片新天地

    相變材料開啟儲存芯片新天地

    來源:
    中國電子報 沈叢
    2020/09/30
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    存儲器是集成電路最重要的技術之一,是集成電路核心競爭力的重要體現。然而,我國作為IC產業最大的消費國,相比較于國外三星、英特爾等大型半導體公司的存儲器技術與產品而言,我國存儲器的自給能力還相對較弱,因此對于存儲芯片材料的研發刻不容緩,相變存儲器就此走入了人們的視野。與基于NAND的傳統非易失性存儲器不同,相變存儲器設備可以實現幾乎無限數量的寫入。此外,相變存儲器的優勢還包括:訪問響應時間短、字節可尋址、隨機讀寫等,因此,相變存儲器也被稱為是能夠“改變未來”的存儲技術之一。與此同時,對于相變材料也成為了研究存儲芯片材料中的重點。

           “改變未來”的存儲技術之一
           近年來,集成電路技術的發展對存儲器芯片的功耗、壽命、尺寸、持久力等各項性能指標均提出了更高要求,世界各國科學家都在加緊攻關存儲材料研發。據悉,相變存儲器是一種高性能、非易失性存儲器,相變材料基于硫屬化合物玻璃。此類化合物有一個很重要的特性,當它們從一相移動到另一相時能夠改變它們的電阻。該材料的結晶相是低電阻相,而非晶相為高電阻相,通過施加或消除電流來完成相變。
           2017年,中國科學院上海微系統與信息技術研究所納米材料與器件實驗室主任宋志棠博士帶領科研團隊在新型相變存儲材料研究方面取得重大突破,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。
           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),并且已經有很多芯片制造公司在進行相關的研究。例如,內存芯片制造商SK海力士公司在2018年已開始生產基于相變材料的3D交叉點存儲器,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,機器學習能力可以加速一千倍。IBM公司也曾透露,IBM正在建立一個研究中心,以開發新一代AI硬件,挖掘相變存儲器在AI領域的應用潛力。

           相變材料助力儲存設備與新的CMOS技術兼容
           儲存器在半導體產業中有著舉足輕重的地位,中國產業信息網數據顯示,2018年全球半導體市場規模4780億美元,存儲器市場規模為1650億美元,占全球半導體市場規模的比例為35%。存儲器產業如今形成了DRAM芯片、NADA Flash芯片、特殊存儲器三個相對獨立的市場。然而,隨著摩爾定律的延伸,技術需求也越來越高,傳統存儲芯片的弊端也逐漸開始顯現。
          “隨著芯片技術節點接近其物理極限,電容器中電子數量減少,DRAM存儲器更容易受到外部電荷的影響;Flash在工作時面臨嚴重的串擾問題,從而會縮短使用壽命;SRAM在信噪比和軟故障方面也會存在一些問題。此外,當芯片制程小于28nm時,這些問題會變得更加嚴重?!彼沃咎南蛑袊娮訄笥浾哒f道。
           此外,宋志棠提到,以前的存儲技術,如DRAM和Flash存儲器,與采用高介電常數(high-k)、金屬柵(MG)和翼結構的新型應用CMOS技術不兼容。因此,全球范圍內都在對非易失性存儲技術進行研究和開發,使其能夠與新的CMOS技術兼容,且具有良好的可擴展性、三維集成能力、快速運算能力、低功耗和長壽命,而相變存儲器便是其中的一種。
           宋志棠介紹,新型相變材料,以穩定八面體作為成核中心來減小非晶成核的隨機性實現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態理論的指導下,創新提出一種兩個八面體晶格與電子結構相匹配的研發思路。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、銥(Sc、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,發明了高速、低功耗、長壽命、高穩定性的“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基相變存儲器件,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。 宋志棠介紹,Sc-Te穩定八面體作為成核生長核心是高速、低功耗的主要原因,晶格與電子結構匹配是長壽命主要原因,穩定八面體抑制面心立方向六方(FCC-HEX)轉化也是高速、低功耗的原因之一。

           眾人拾柴火焰高
           半導體電子工業市場如今已經成為相變材料的主要應用領域之一,QYResearch 數據表明,在2018年,相變材料在半導體電子工業市場的市場份額為17.69%。在2019年相變材料的市場總值已達到54億元,預計2026年將增長到121億元,年份和增長率12.2%。
            宋志棠認為,隨著儲存設備的應用越來越廣泛,相變存儲材料未來在半導體領域中的應用也將越來越多。然而,相變材料在半導體領域若想走出基礎創新初級階段,下一步需要走出實驗室,運用到更多的產品中。
            “目前相變材料還處于創新初級階段,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體領域得到更廣泛的運用,需要整個產業鏈協對此多加關注,協同發展。產、學、研緊密結合,才能夠真正實現質的飛躍?!彼沃咎恼f道。
           對于相變材料在半導體產業中未來的技術發展需求,宋志棠認為主要有三點?!捌湟?,高純度。對于半導體材料而言,純度的要求是非常高的,所有的半導體材料都需要對原料進行提純,純度低往往會直接影響器件的性能。其二,高重復性。對于半導體這類的高技術型產業,研發周期長且研發費用高昂,因此半導體材料需要有很高的重復利用性。其三,高可靠性以及穩定性。在半導體領域中,每一個步驟都非常關鍵,因此需要非常嚴謹,否則很容易造成一步錯步步錯,對于上游材料而言也不例外?!彼沃咎恼f道。
    (專訪地點:2020中國半導體材料創新發展大會)

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