在科研前線的首期，欄目為大家介紹的是來自復(fù)旦大學微電子學院江安全課題組近期的科研成果，該課題組聯(lián)合多所高校及企業(yè)研制出的新型鐵電疇壁存儲器存儲性能穩(wěn)定、可靠性高，有著良好的產(chǎn)業(yè)化前景，請隨小編來一探究竟！

研究背景

關(guān)注集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的人一定都知道大名鼎鼎的摩爾定律，集成電路先進制造工藝已遵循摩爾定律預(yù)測發(fā)展了半個多世紀，芯片線寬不斷縮小、集成度不斷提高以獲得性能的提升，成為了集成電路制程進步的趨勢。然而隨著器件特征尺寸不斷縮小，短溝道效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)等問題越來越難以克服，大大影響了芯片的性能，量產(chǎn)的難度與成本居高不下。目前，存儲大廠三星與海力士已在新的存儲芯片上采用先進處理器芯片制造工藝中使用的EUV工藝。根據(jù)國際半導(dǎo)體技術(shù)藍圖預(yù)測，對于5nm以下技術(shù)節(jié)點工藝，現(xiàn)有存儲技術(shù)將不能滿足芯片高性能、低功耗的要求，亟待開發(fā)出高密度、低功耗的新型存儲器。

而在近期，復(fù)旦微電子學院在存儲技術(shù)取得了具有產(chǎn)業(yè)化前景的成果突破，江安全課題組博士柴曉杰和江均等成員聯(lián)合韓國首爾大學、英國圣安德魯斯大學、中北大學、中科院物理所、浙江大學和華東師范大學以及濟南晶正公司等研發(fā)出的新型鐵電疇壁存儲器。制備樣品見下圖。

制備樣品

承擔該項工作的博士生柴曉杰和項目研究員江鈞為共同第一作者，研究成果分別以《與硅底集成和自帶選擇管功能的 LiNbO3 鐵電單晶疇壁存儲器》（“Ferroelectric domain wall memory with embedded selector realized in LiNbO3 single crystals integrated on Si wafers”）為題發(fā)表于《自然-材料》（Nature Materials）、以《非易失性全鐵電場效應(yīng)管》（“Nonvolatile ferroelectric field-effect transistors”）為題發(fā)表于《自然-通訊》（Nature Communications）。

基本特性

首先，我們來看看研究團隊所采用的材料鈮酸鋰晶體，這是一種集電光、聲光、壓電、光彈、非線性、光折變等效應(yīng)于一身的人工合成晶體，原材料來源豐富、價格低廉、易生長成大晶體，國內(nèi)外生產(chǎn)廠商眾多，常應(yīng)用于聲表面波、電光調(diào)制、激光調(diào)制、光陀螺、光參量振蕩/放大、光全息存儲等。

通過采用鈮酸鋰單晶薄膜材料與硅基電路低溫鍵合，研究團隊實現(xiàn)了存儲介質(zhì)無缺陷、晶界和空洞等優(yōu)異特性，突破了新型多晶薄膜存儲器的單元一致性和高可靠性集成技術(shù)的瓶頸。在存儲單元的制備上，研究團隊采用納米加工技術(shù)，在薄膜表面制備出15-400nm大小不等的鐵電存儲單元，并通過施加面內(nèi)電場產(chǎn)生平行和反平行的鐵電疇結(jié)構(gòu)，電疇間形成可擦寫的高電導(dǎo)疇壁，可非揮發(fā)地存儲邏輯“0”和“1”的信息，1V下讀出電流最高可達1.7 mA，且具有單向?qū)ㄌ匦裕_關(guān)比大于105。同時證明了存儲單元的表面層具備天然選擇管的功能，可應(yīng)用于大規(guī)模交叉棒集成陣列，突破傳統(tǒng)鐵電存儲器高密度發(fā)展的技術(shù)瓶頸。

存儲性能

在前述的優(yōu)異材料特性與電性能的加持下，其存儲器讀寫速度可達納秒甚至皮秒量級，讀寫次數(shù)基本不限，并且保持時間大于10年，存儲器可實現(xiàn)三維堆垛。

三維堆垛方案

此外，該團隊在以上存儲器的研究基礎(chǔ)上集成了非易失性的全鐵電場效應(yīng)晶體管（見下圖），這種無結(jié)的場效應(yīng)管具有極低的漏電流、超快的操作速度、導(dǎo)通電流可達~110μA·μm?1、亞閾值擺幅接近于零。在源、漏和柵等電脈沖作用下可實現(xiàn)單刀雙擲開關(guān)功能，與鐵電存儲器同質(zhì)集成能夠?qū)崿F(xiàn)簡單的邏輯運算，實現(xiàn)存算一體化，有望突破“存儲墻”限制，預(yù)計可規(guī)模化生產(chǎn)。

圖為鐵電疇在源(D)、漏(S)和柵(G)電壓控制下反轉(zhuǎn)所形成疇壁的相場模擬結(jié)果（左）和源電壓(Vd)作用下柵脈沖電壓(Vg)觸發(fā)的非揮發(fā)開關(guān)電流(Ig)（右）

部分測試結(jié)果

圖為鈮酸鋰(LNO)存儲單元與左右電極(L&R)接觸的掃描電鏡成像（左）和不同尺寸存儲單元的電流-電壓曲線（右）

存儲單元的原子力形貌像和面內(nèi)電疇的壓電成像

產(chǎn)業(yè)化前景

從前述特性與性能的描述可以看出該存儲器的平面存儲密度能夠超過目前市場所廣泛使用的閃存，數(shù)據(jù)的擦寫時間能夠從毫秒量級縮短至納秒，且能耗不及后者的千分之一,能夠充分滿足人們對快速通訊、大數(shù)據(jù)移動存儲、低功耗物聯(lián)網(wǎng)等不同應(yīng)用場合的需求。

目前已研制成功的6英寸大面積摻雜鈮酸鋰單晶薄膜表面具有原子層平整度，能夠與硅基電路實現(xiàn)低溫鍵合(LOI)，存儲性能穩(wěn)定，可靠性高。8-12英寸鈮酸鋰單晶薄膜材料還在研發(fā)過程中，預(yù)計不久能夠推向市場，會對現(xiàn)有存儲器的產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生重大影響，為我國存儲器技術(shù)的快速發(fā)展提供機遇。

原文標題：科研前線 | 復(fù)旦大學微電子學院在高密度鐵電存儲器的產(chǎn)業(yè)化研究取得突破性進展

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責任編輯：haq