高速、低功耗新型Sc-Sb-Te相变存储材料获重大发现

戴蒙院士颁发宋团队证书及奖金

上海微系统研究所所长、国家02专项副所长戴蒙致辞

宋研究员作相关研究报告

科学网上海12月22日电(记者黄鑫)为鼓励科技人员融入科技创新主战场，促进学术繁荣，鼓励科技人员成长，中国科学院上海微系统研究所今天下午发表了《科学》高级别文章，对宋研究员团队在研究新型高速低功耗钪锑碲相变储能材料方面的重大科学发现给予表彰。据悉，上海微系统与信息技术研究所与SMIC制造有限公司共同选择了嵌入式相变存储器作为突破口。在国家重点研发计划、国家重点科技项目、国家重大科技项目“超大规模集成电路制造设备及成套技术”项目(02项目)、国家自然科学基金、中国科学院科技a类战略试点项目、上海市领军人才、上海市科委等项目的支持下，经过十几年的研究， 在存储材料的选择、存储芯片的设计、PCRAM的基本制造技术等方面取得了一系列重要的科技进步。

据悉，相关研究成果具有自主知识产权(国际专利PCT/CN2016/096334，中国专利201510697470.2)。今年11月9日，《科学》杂志在网上发表了这一重要的研究成果，标题是“降低晶体成核的储存量，实现亚纳秒记忆写入”，并于12月15日发表在杂志上。这是发表在本期《科学》上的一篇重要学术论文，上海微系统公司就坐落在这里。这也是中国在先进存储技术关键核心材料领域的第一篇学术论文。

报告将由上海微系统研究所党委书记齐明主持。副主任谢晓明宣读了上海微系统研究所对项目组的表彰决定。中国科学院院士、上海微系统研究所所长、国家02专项副组长达蒙为团队颁奖。

戴蒙在演讲中说，在宋研究员的领导下，PCRAM团队自2002年以来经过近15年的努力，取得了令人瞩目的成绩。他希望科学家们在现有的基础上取得更大的进步和成就。它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，有助于创新驱动，为新时期科学院办学方针的落实和上海科技创新中心的建设做出新的贡献。

集成电路产业是“十三五”规划中的战略性新兴产业。存储器是集成电路最重要的技术之一，是国家核心竞争力的重要体现。作为全球电子产品的制造基地，中国的记忆自给能力相对较弱。三星、英特尔等国外大型半导体公司对存储技术和产品的垄断，对中国信息产业和信息安全的发展构成了重大隐患。我国迫切需要开发具有自主知识产权的半导体存储新技术。

目前，世界上常用的相变存储材料是“锗锑碲”。近年来，集成电路技术的发展对存储芯片的各种性能指标提出了更高的要求，如功耗、寿命、尺寸、耐久性等。来自世界各地的科学家正在加紧研究和开发记忆材料。

中科院上海微系统与信息技术研究所宋团队在新型相变存储材料研究方面取得重大突破。在自主相变八面体元素和面心立方亚稳态理论的指导下，提出了将两个八面体晶格与电子结构匹配的创新研发思路，设计新的相变材料，降低非晶成核的随机性，实现以稳定的八面体为成核中心的相变材料的高速结晶。通过第一性原理理论计算和分子动力学模拟，从许多过渡族元素中选择钪和铱(sc，y)作为掺杂元素。通过存储单元的存储性能测试，特别是存储单元的高速擦写测试，发明了高速、低功耗、长寿命、高稳定性的“Sc-Sb-Te”相变材料。采用0.13um工艺制备的钪锑碲基相变存储器件实现了700皮秒的高速可逆写擦除操作，循环寿命超过107倍。与传统的锗锑碲基相变存储器件相比，其工作功耗降低了90%，十年的数据保持能力相当。通过进一步优化材料和缩小器件尺寸，钪锑碲基相变材料的综合性能将进一步提高。研究表明，Sc-Te稳定的八面体作为成核生长的核心是高速低功耗的主要原因。晶格和电子结构的匹配是长寿的主要原因。稳定的八面体抑制了FCC-HEX转换，这也是高速和低功耗的原因之一。

据了解，Sc-Sb-Te相变存储材料的重大发现来自中国科学院上海微系统研究所科研团队长期积累的科研工作。研究小组还发现了一种新型的钛锑碲自含相变存储材料，其性能优于国际上批量生产的锗锑碲。我们自主开发了具有国际先进水平的双通道隔离的4F2高密度二极管技术。中国第一个8Mb PCRAM测试芯片研制成功。基于0.13umCMOS技术的打印机用750万嵌入式PCRAM产品的第一批订单已经获得。基于40纳米高密度二极管技术开发的具有最小单元尺寸的自读存储器已经开始发送样本。所开发的40nm节点PCRAM测试芯片的单位成品率高达99.999%以上，甚至还有4Mb和64Mb未经修改的PCRAM芯片，已提供给客户在先进的信息系统上试用。

会上，宋研究员代表项目组分享了相变储能的研发动态和项目组对技术创新和成果产业化进行不懈探索的心路历程。

他说，这种新型相变材料的性能从物理上解决了存储器的低功耗和高速擦写问题。再加上自主开发的高速读出电路(US8947924)，已经在大规模生产的芯片上使用，可以形成中国新一代最先进的存储器。例如，该材料将在高密度三维存储芯片上得到进一步验证，这对中国突破国外技术壁垒，开发具有自主知识产权的存储芯片具有重要价值。实现中国存储技术的跨越式发展，促进中国信息产业的繁荣，维护中国的信息安全，具有重要的战略意义。

中国自然科学基金信息司司长潘庆，中国科学院前沿科学与教育局科技司司长孔明惠，马振予北京大学教授张行，02国家科技重大项目管理办公室专家宋扬，上海市科委高技术司副司长陈明，赵宇航主任， 上海集成电路研发中心主任闵、上海纳米中心主任、制造有限公司常务副总裁华克禄以及上海微系统研究所中层以上*、研究骨干和研究生出席会议。

与会专家表示，他们被宋和他的团队的坚持所感动。经过10年的努力，他们期望团队在基础研究上取得重大突破，在科技成果产业化和服务国民经济建设主战场上取得更大的成绩。