近十多年來，科學界與工業(yè)界一直致力于發(fā)展第三類存儲器技術，以期在同一單元中實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速讀寫及穩(wěn)定存儲，應對數(shù)據(jù)存儲與處理方面的巨大壓力?；诹蜃寤锏南嘧兇鎯ζ鹘涍^二十余年的科研發(fā)展，已逐步實現(xiàn)工業(yè)化生產，并于近期投入市場，例如英特爾“傲騰”芯片等。目前該領域內的研究重點落在如何進一步提升相變存儲的讀寫速度上。相變存儲器中最為核心的技術就是相變存儲材料，也是技術壁壘最高的。為了最大限度地利用相變存儲器的優(yōu)勢和潛力，研究人員一直嘗試對相變材料進行改性以進一步提升其性能，同時也在不斷地探索各種類型的新型相變材料。
GST（Ge2Sb2Te5）是目前相變存儲器研究中最為成熟的材料，GST材料的優(yōu)點是結晶速度快，非晶態(tài)和晶態(tài)的光電性能差別大；缺點是晶態(tài)電阻率和結晶溫度低、熱穩(wěn)定性差。GST是目前最為理想的相變材料，然而其各項性能仍需要不斷的提高完善，主要是能夠滿足PCRAM存儲需求，需要在相變材料的結構穩(wěn)定性、電阻穩(wěn)定性、相位分割清晰以及加快結晶速度等方面進一步研究，為了最大限度地利用相變存儲器的優(yōu)勢和潛力，研究人員一直嘗試對GST材料進行改性以進一步提升其性能，同時也在不斷地探索各種類型的新型相變材料。因此，本文主要講述了近年來新型相變存儲器材料的重大科研進展。
研究進展
（1）新型相變存儲材料（Sc-Sb-Te）
中科院上海微系統(tǒng)所宋志棠團隊在新型相變存儲材料方面取得重大突破，于2017年11月9日發(fā)表在國際頂級期刊Science上，如圖1所示，這也是國內先進存儲技術關鍵核心材料領域的第一篇頂級學術論文。
圖1 宋志棠團隊發(fā)表的關于新型相變存儲材料的論文
本文創(chuàng)新性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(xiàn)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(yōu)選出鈧（Sc）作為摻雜元素，設計發(fā)明了低功耗、長壽命、高穩(wěn)定性的鈧銻碲（Sc-Sb-Te，SST）材料。研究人員利用130 nm互補金屬氧化物半導體（CMOS）工藝制備的SST基PCRAM實現(xiàn)了700 ps的高速可逆寫擦操作（如圖2所示，而傳統(tǒng)GST（Ge-Sb-Te）器件的最快寫操作速度為大約10 ns），這個速度是目前PCRAM的極限，已經可以比得上所謂臨界轉換效應的電阻轉換速度），循環(huán)壽命大于107次。相比傳統(tǒng)GST器件，SST基PCRAM功耗降低了90%，且10年數(shù)據(jù)保持力相當；通過進一步優(yōu)化材料與微縮器件尺寸，SST基PCRAM綜合性能將進一步提升，使之可以與SRAM和DRAM競爭，這樣就可以使發(fā)展一種真正通用的存儲器成為可能。SST基新型相變存儲材料的突破，尤其是其在高密度、高速存儲器上的應用驗證，對于我國突破國外技術壁壘、開發(fā)自主知識產權的存儲器芯片具有重要的價值，對于實現(xiàn)我國存儲器跨越式發(fā)展、信息安全具有重要意義。
圖2 新型鈧銻碲(Sc-Sb-Te)相變存儲器件700ps高速寫入操作演示及微觀結晶化機理
圖3 新型鈧銻碲(Sc-Sb-Te)相變存儲器件SET速度
（2）緩存型相變存儲鈧銻碲合金的化學設計原則
西安交通大學金張偉教授課題組聯(lián)合中科院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所、美國約翰霍普金斯大學科研人員在前人工作的基礎上設計了新型鈧銻碲合金，成功將相變存儲器的讀寫速度提升十余倍并達到亞納秒級別，該研究成果于2019年4月25日發(fā)表于美國化學學會期刊Chemistry of Materials上，并入選為封面論文。
圖4 張偉團隊發(fā)表的關于鈧銻碲合金的化學設計原則的論文
本文就如何調節(jié)鈧銻碲的化學成分以達到器件最優(yōu)性能的問題，針對鈧銻碲（SST）合金的二元母體合金碲化鈧與碲化銻進行系統(tǒng)全面的第一性原理模擬與量子化學鍵分析。研究結果表明，兩種母材在非晶態(tài)結構上有很大的相似性，其中非晶碲化銻提供了與鈧銻碲晶體相更加接近的拓撲結構，而非晶碲化鈧由于陰陽離子間更強的電荷轉移能力，使得體系中同極鍵的比例大大減少，形成大量結構規(guī)整且強度高的鈧碲四元環(huán)。當大約10%的碲化鈧與90%的碲化銻進行融合形成鈧銻碲合金時（如圖5所示），穩(wěn)定的鈧碲四元環(huán)可極大提升體系結晶效率，使得鈧銻碲相變器件操作速度接近最優(yōu)。
圖5 鈧銻碲合金的化學設計原則
（3）新型相變異質結構存儲器
近年來基于先進的PCRAM技術研發(fā)神經元計算器件已成為業(yè)界研發(fā)焦點。然而商用PCRAM器件在反復可逆相變操作過程中，GST材料組分逐步偏析乃至出現(xiàn)較大孔洞，其非晶相具有本征的電阻值隨時間顯著漂移特性，且在結晶化時亦存在較大的隨機性，致使多數(shù)據(jù)態(tài)存儲操作時各態(tài)電阻值波動較大，導致高密度存儲陣列的單元間與單元內反復多次操作一致性、協(xié)同性低下，造成神經元計算時噪聲頗高，嚴重制約了高精度、高效率神經元計算器件的開發(fā)。聚焦此關鍵科學問題，深圳大學饒峰團隊與美國約翰霍普金斯大學馬恩教授、西安交通大學張偉教授合作在面向高精度神經元計算應用的相變存儲材料與器件研究方面取得重要進展，于2019年8月22日發(fā)表在國際頂級期刊Science上，如下圖所示。
圖6 饒峰團隊發(fā)表的關于新型相變異質結構存儲器的論文
本文提出了一種新式的相變異質結（Phase-change heterostructure，PCH）設計，由多個交替堆疊的相變層與限制層構成，并通過原位加熱且低速生長的多層薄膜磁控濺射沉積技術實現(xiàn)了高質量PCH薄膜的制備。該PCH可有效抑制玻璃態(tài)相變材料結構弛豫以及反復可逆相變過程中的組分偏析，將PCRAM器件數(shù)據(jù)態(tài)的阻值波動和漂移降低到前所未有的水平。該PCH基PCRAM器件在迭代RESET操作時可實現(xiàn)9個穩(wěn)定的多態(tài)存儲（各電阻態(tài)阻值漂移系數(shù)小于~0.005，遠低于非晶GST器件的~0.11），并在累積SET操作時器件電導呈現(xiàn)高一致性（波動小于9%，而GST器件波動則超過40%），如圖7所示，這些優(yōu)越的性能適用于精準矢量矩陣乘法計算、快速時序相關探測和其他要求高精度和高一致性的機器學習任務。此外，相比GST基器件而言，PCH器件的操作速度快一個數(shù)量級（達亞10 ns級）、操作壽命提升三個數(shù)量級（如圖8所示， PCH器件的循環(huán)壽命約為109，而GST器件的為106）、操作功耗降低超過87%，亦為發(fā)展DRAM型高性能PCRAM器件提供了可行的解決方案。值得指出的是，PCH結構所采用的多層膜制備技術并不會大幅增加芯片制造成本或需開發(fā)額外復雜的工藝，可完美匹配現(xiàn)有PCRAM量產工藝，將有助于大力推進基于先進微電子技術的高性能神經元感知芯片的開發(fā)。
圖7 抑制電阻漂移數(shù)據(jù)
圖8 SET速率與循環(huán)耐力曲線
本文展示了一種創(chuàng)新的PCH架構設計，它比傳統(tǒng)的PCRAM設備提供了更多的性能優(yōu)勢，特別是在電阻狀態(tài)下大幅降低了噪音和漂移。這些性能優(yōu)勢源于在相變周期中被抑制的成分和結構的變化，并使控制良好的迭代RESET和累積SET成為可能。因多層沉積不會顯著增加制造成本或者需要復雜的制備過程，PCH架構設計方法適用于工業(yè)生產，特別是其相對容易地被納入到如高性能的神經啟發(fā)計算等的先進的設備設置。
結論
國際半導體發(fā)展路線圖指出，從2010年開始，非傳統(tǒng)半導體材料陸續(xù)進入芯片制造領域：PCRAM，CNT，Graphene等，PCRAM作為最有前途的新型存儲器，未來市場空間巨大。PCRAM三大核心技術存儲材料、存儲單元結構和存儲陣列中，目前，傳統(tǒng)的相變存儲材料GST的知識產權掌握在國外巨頭的手中，因此，我國可以通過布局新型相變材料，實現(xiàn)相變存儲底層技術的自主可控，在政策支持下有望實現(xiàn)技術與市場的彎道超車，相變存儲技術的突破將有助于中國存儲芯片產業(yè)實現(xiàn)自主可控。
