十年磨一剑 一朝露锋芒——我国自主知识产权相变存储器在国际上首次实现嵌入式应用
2017/10/16 中科院之声

     21世纪以来，信息技术发展突飞猛进，集成电路产业也成为了我国的新型战略性产业，其中存储器作为保存信息的“大脑”，被广泛应用在电脑、手机、可穿戴设备等各种智能终端中，在集成电路产业市场占比超20%。我国作为电子产品的制造大国和消费大国，消耗了全球50%以上的存储器市场，但存储器芯片的国产自给率还不足10%，在自主知识产权方面更是一片空白。

     目前通用的存储器技术有动态随机存储器和闪存两种，占了95%的市场份额。其中动态随机存储器虽然速度快寿命长，但一断电数据就没了；闪存掉电可以保存数据，但速度慢寿命短。能否找到一种存储器兼具二者优点呢？有，相变存储器。

     所谓“相变”，即物质从一种“相”变成另外一种“相”，例如水从固态转化为液态。相变存储器就是利用特殊材料在晶态和非晶态之间的可逆转变，实现信息的写入和擦除，通过材料在晶态和非晶态之间的电阻差异实现数据的存储。其实早在上世纪七十年代，相变材料就被发现了，但局限于集成电路的制造工艺，直到近十年半导体加工技术进入到纳米尺度，这种材料的优良特性才得以展现。

     相变存储器具有速度快、寿命长、功耗低、掉电不丢失数据等优点，上可改变计算机体系架构、大幅提高计算性能，下可提高电子产品的速度、功耗、性价比，为用户带来更好的体验，被业界认为是下一代存储技术的最佳解决方案之一。

     目前，国际上英特尔、镁光、三星等国际知名半导体公司都在开发相变存储器技术。2017年英特尔和镁光共同研发的“傲腾”存储器，被称为是25年来存储领域最大的革新，即是一种三维相变存储器技术。中国科学院上海微系统与信息技术研究所相变存储器课题组从2003年于国内率先开展相变存储器的研发。在存储材料、制造工艺、电路设计、芯片测试、应用等实现存储器芯片的所有环节进行了深入研究。2011年，课题组在130nm工艺平台上成功研制出了我国第一款自主设计、制造的相变存储器芯片。2012年，课题组决心把相变存储器芯片推向商业化。

     把芯片从实验室推向产业化应用，是业内的公认难题。相变存储器的制造需要研发特殊工艺，在工艺中即有诸多难点。相变材料组分复杂，工艺中的薄膜等的高温制造过程会造成元素的扩散，影响存储性能。其次，对于纳米或亚微米尺度的存储单元，其超大规模的存储单元阵列需保持相当高的一致性。最后，每片晶圆上的每一个芯片也需保持相当高的一致性。在推向市场前，课题组需要从成千上万颗芯片中找到性能表现最差的一颗，以此发现技术漏洞，最大化确保产品安全可靠。这既需要课题组内各个方向的科研人员合力攻关，也需要课题组、制造商、客户的相互配合。

     蓝海虽大，但要保证自己安全地吃到第一只螃蟹，需要推出符合客户需求的产品。上海微系统所把高速低功耗嵌入式市场作为我国相变存储器芯片商业化应用的突破口，并将其首先应用于打印机耗材领域。

     在推向市场前，课题组科研人员又与制造商、客户一起，对芯片进行了数千次反复测试和技术修补，终于突破了相变存储芯片商业化应用的一个个技术瓶颈，并通过了全球市场60余种型号打印机的实测。

     十年磨一剑，一朝露锋芒。2016年，上海微系统所联合中芯国际、珠海艾派克推出的嵌入式相变存储芯片开始规模量产。截止至2017年6月，共完成超过1600万颗芯片的市场销售。这是国际上相变存储器在嵌入式领域的首次应用，也填补了我国在存储器制造领域自主知识产权的空白。

     前方的路，还需跋涉。接下来课题组将继续推进嵌入式芯片的产业化，进一步开发110纳米和40纳米技术节点的相变存储器芯片；同时在研发大容量高密度的三维相变存储器上发力，对包括双向阈值开关器件、三维制造工艺、三维集成电路等重大科学工程问题展开攻关。

     来源：中国科学院上海微系统与信息技术研究所

    

    

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