复旦大学在存储技术取得新的成果突破

在科研前线的首期，栏目为大家介绍的是来自复旦大学微电子学院江安全课题组近期的科研成果，该课题组联合多所高校及企业研制出的新型铁电畴壁存储器存储性能稳定、可靠性高，有着良好的产业化前景，请随小编来一探究竟！

研究背景

 

关注集成电路产业发展的人一定都知道大名鼎鼎的摩尔定律，集成电路先进制造工艺已遵循摩尔定律预测发展了半个多世纪，芯片线宽不断缩小、集成度不断提高以获得性能的提升，成为了集成电路制程进步的趋势。然而随着器件特征尺寸不断缩小，短沟道效应、量子尺寸效应等问题越来越难以克服，大大影响了芯片的性能，量产的难度与成本居高不下。目前，存储大厂三星与海力士已在新的存储芯片上采用先进处理器芯片制造工艺中使用的EUV工艺。根据国际半导体技术蓝图预测，对于5nm以下技术节点工艺，现有存储技术将不能满足芯片高性能、低功耗的要求，亟待开发出高密度、低功耗的新型存储器。

而在近期，复旦微电子学院在存储技术取得了具有产业化前景的成果突破，江安全课题组博士柴晓杰和江均等成员联合韩国首尔大学、英国圣安德鲁斯大学、中北大学、中科院物理所、浙江大学和华东师范大学以及济南晶正公司等研发出的新型铁电畴壁存储器。制备样品见下图。

制备样品

承担该项工作的博士生柴晓杰和项目研究员江钧为共同第一作者，研究成果分别以《与硅底集成和自带选择管功能的 LiNbO3 铁电单晶畴壁存储器》（“Ferroelectric domain wall memory with embedded selector realized in LiNbO3 single crystals integrated on Si wafers”）为题发表于《自然-材料》（Nature Materials）、以《非易失性全铁电场效应管》（“Nonvolatile ferroelectric field-effect transistors”）为题发表于《自然-通讯》（Nature Communications）。

基本特性

 

首先，我们来看看研究团队所采用的材料铌酸锂晶体，这是一种集电光、声光、压电、光弹、非线性、光折变等效应于一身的人工合成晶体，原材料来源丰富、价格低廉、易生长成大晶体，国内外生产厂商众多，常应用于声表面波、电光调制、激光调制、光陀螺、光参量振荡/放大、光全息存储等。

通过采用铌酸锂单晶薄膜材料与硅基电路低温键合，研究团队实现了存储介质无缺陷、晶界和空洞等优异特性，突破了新型多晶薄膜存储器的单元一致性和高可靠性集成技术的瓶颈。在存储单元的制备上，研究团队采用纳米加工技术，在薄膜表面制备出15-400nm大小不等的铁电存储单元，并通过施加面内电场产生平行和反平行的铁电畴结构，电畴间形成可擦写的高电导畴壁，可非挥发地存储逻辑“0”和“1”的信息，1V下读出电流最高可达1.7 mA，且具有单向导通特性，开关比大于105。同时证明了存储单元的表面层具备天然选择管的功能，可应用于大规模交叉棒集成阵列，突破传统铁电存储器高密度发展的技术瓶颈。

存储性能

 

在前述的优异材料特性与电性能的加持下，其存储器读写速度可达纳秒甚至皮秒量级，读写次数基本不限，并且保持时间大于10年，存储器可实现三维堆垛。

三维堆垛方案

此外，该团队在以上存储器的研究基础上集成了非易失性的全铁电场效应晶体管（见下图），这种无结的场效应管具有极低的漏电流、超快的操作速度、导通电流可达~110μA·μm−1、亚阈值摆幅接近于零。在源、漏和栅等电脉冲作用下可实现单刀双掷开关功能，与铁电存储器同质集成能够实现简单的逻辑运算，实现存算一体化，有望突破“存储墙”限制，预计可规模化生产。

图为铁电畴在源(D)、漏(S)和栅(G)电压控制下反转所形成畴壁的相场模拟结果（左）和源电压(Vd)作用下栅脉冲电压(Vg)触发的非挥发开关电流(Ig)（右）

部分测试结果

 

图为铌酸锂(LNO)存储单元与左右电极(L&R)接触的扫描电镜成像（左）和不同尺寸存储单元的电流-电压曲线（右）

存储单元的原子力形貌像和面内电畴的压电成像

产业化前景

 

从前述特性与性能的描述可以看出该存储器的平面存储密度能够超过目前市场所广泛使用的闪存，数据的擦写时间能够从毫秒量级缩短至纳秒，且能耗不及后者的千分之一,能够充分满足人们对快速通讯、大数据移动存储、低功耗物联网等不同应用场合的需求。

目前已研制成功的6英寸大面积掺杂铌酸锂单晶薄膜表面具有原子层平整度，能够与硅基电路实现低温键合(LOI)，存储性能稳定，可靠性高。8-12英寸铌酸锂单晶薄膜材料还在研发过程中，预计不久能够推向市场，会对现有存储器的产业产生重大影响，为我国存储器技术的快速发展提供机遇。

原文标题：科研前线 | 复旦大学微电子学院在高密度铁电存储器的产业化研究取得突破性进展

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责任编辑：haq