新型相变存储材料重大发现引领产业发展

中科院上海微系统与信息技术研究所联合中芯国际集成电路制造有限公司，选择以嵌入式相变存储器（PCRAM）为切入点，经过十余年的研究，在存储材料筛选、存储芯片设计、PCRAM的基础制造技术等方面取得系列重要突破。2017年12月15日，这一重要成果发表于国际权威学术期刊《科学》杂志。

据悉，相关研究成果具有独立自主知识产权（同时申请了国际专利和中国专利）。这是上海微系统所在《科学》正刊上发表的重要学术论文，也是国内先进存储技术关键核心材料领域的第一篇学术论文。

2017年12月22日，为鼓励广大科技人员融入科技创新主战场，促进学术繁荣和鼓励科技人才成长，上海微系统所举行高水平文章发布报告会，表彰研究员宋志棠课题组在高速、低功耗新型Sc-Sb-Te相变存储材料研究中的重大科学发现。

中科院院士、上海微系统所所长、国家02专项副总师王曦为团队颁发了奖状和奖金。

王曦在讲话中表示，PCRAM团队在宋志棠的带领下，从2002年至今，经过近15年的刻苦钻研所取得的成果值得祝贺。他希望科学家们能百尺竿头，更进一步，在现有基础上作出更大的成绩。能面向世界科技前沿、面向国家重大需求、面向国民经济主战场，助力创新驱动，努力为践行中科院新时期办院方针，融入上海市科创中心建设作出新的贡献。

目前，国际上通用的相变存储材料是“锗锑碲”（Ge-Sb-Te）。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。

在手机、电脑、可穿戴设备等各种智能终端中，存储器是用于保存信息的“大脑”。所谓相变存储器，就是利用电脉冲诱导相变材料在高阻的非晶态与低阻的晶态之间进行可逆转变，实现信息的写入和擦除，通过电阻变化实现数据读出的一种新型存储器。

但传统存储器在处理信息时有几个致命缺点，一是意外断电数据易丢失，二是读取数据速度慢。

能否研发出集两者优点于一身的新型存储器，成为影响电子产品升级换代的一个关键因素。相变存储器是近年来国际科学家研究的新型存储器之一。

宋志棠表示：“国外三星、镁光、英特尔等大型半导体公司对存储器技术与产品的垄断，给我国信息产业发展与信息安全造成重大隐患。”

为此，宋志棠团队将研发重点聚焦在嵌入式相变存储器。“我国是智能电子产品消费大国，对嵌入式相变存储器有巨大需求。尽管这块市场没有非嵌入式存储器市场大，但更适合中国现有的科研和技术水平。”宋志棠说。

宋志棠团体在国家重点研发计划纳米科技重点专项、国家科技重大专项“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”专项（02专项）、国家自然科学基金、中国科学院A类战略性先导科技专项、上海市领军人才、上海市科委等项目的资助下，创新性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。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，设计发明了低功耗、长寿命、高稳定性的Sc-Sb-Te材料，Sc与Te形成的稳定八面体成为成核核心是实现高速、低功耗存储的主要原因。

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。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。

据了解，Sc-Sb-Te相变存储材料的重大发现来自于中科院上海微系统所科研团队在相变存储器方面的长期科研工作积累。在中科院上海微系统所和中芯国际的支持下，双方共同组建研发团队，申请国家项目，搭建起8~12英寸相变存储器研发平台，并于2007年进一步建立了“纳米半导体存储技术联合实验室”，经过多年研究取得了多项重大技术进展，建立了1.6亿元关键的相变存储器专用平台，实现了相变材料制备工艺与中芯国际180nm~28nm标准CMOS工艺的无缝对接，使我国的相变存储器芯片研发条件达到了国际先进水平。

完成了基础理论研究方面的科研攻关，如何实现研究成果产业化应用就成为摆在研发团队面前的首要任务。2012年，上海微系统所与珠海艾派克微电子有限公司展开战略合作，决定将相变存储芯片率先应用于打印机行业。

据悉，该团队陆续开发出了我国第一款8Mb PCRAM试验芯片，发现了比国际量产的Ge-Sb-Te性能更好的Ti-Sb-Te自主新型相变存储材料，开发的基于0.13um CMOS工艺的打印机用嵌入式PCRAM产品已获得首个1500万颗的订单；自主研发的双沟道隔离的4F2高密度二极管技术，自读存储器已开始送样，晶体管密度达到国际先进水平；40nm节点PCRAM试验芯片的单元成品率达99.99%以上，4Mb、64Mb 不加修正的芯片在先进信息系统上实现试用。

4年来，通过和珠海艾派克微电子有限公司产学研用协同合作开发的打印机用相变存储器芯片，取得了工程应用的突破，实现了产业化销售。截至2017年6月，打印机用嵌入式相变存储器已完成1600万颗芯片的市场销售。

“新型相变材料的这些性能表现，从物理上解决了存储器低功耗与高速擦写问题，配上自主开发的已在量产芯片上用过的高速读出电路（US8947924），就可以形成我国新一代最先进存储器。”宋志棠表示， Sc-Sb-Te高速、低功耗新型相变存储材料的重大发现，尤其在高密度、高速存储器上应用验证，对于我国突破国外技术壁垒，开发自主知识产权的存储器芯片具有重要的价值，对我国的存储器跨越式发展、信息安全与战略需求具有重要意义。