5.我国在存储芯片领域的未来发展重点
5.1 高密度三维PCRAM阵列与芯片
图23 高密度三维PCRAM结构与性能：a）存储阵列结构，b）目前OTS选通管性能上的不足。
有市场竞争力的存储技术，一定是高密度下能实现三维集成的海量存储技术，高密度取决于存储单元能否做小，能否随半导体技术节点发展，能否在技术节点上做到4F2的极限密度。三维集成主要决定在选通管的制备材料与工艺不选用外延材料与加工工艺，选通管驱动电流与漏导支撑4F2存储阵列完成读、写、擦操作，上电时具有低的静态功耗。基于阻变的PCRCM、ReRAM、FeRAM和MRAM量产工艺主要取决于存储阵列的高低阻有大的窗口与窄的高斯分布，要做到这一点存储阵列与互联构成的全电路的阻值差异一定要越小越好。英特尔的3D PCRAM（3D Xpoint）通过将PCRAM存储单元、OTS（Ovonic Threshold Switching）选通管、限制型器件结构（confinedstructure）与宽大的金属字、位线完美集成，充分做到了这几点：3D Xpoint 由PCRAM构成存储单元，不同于DRAM和Flash的电子充放电机制，因而能够实现4F2的极限密度并且不受物理极限尺寸的约束；作为PCRAM的开关与驱动电路，OTS选通管（S）所使用同样是硫系化合物，同时，基于硫系化合物的阈值转变现象，OTS能够在纳秒的时间内对PCRAM提供一个很大的驱动电流、合适的开关比及很小的漏导。S与R组成完美的限制型器件结构，使PCRAM中的全部相变材料都用于可逆相变，从而缩小由于有效相变区域不同而造成的电阻差异，由金属交叉电极组成的字、位线又进一步减小存储阵列之间的阻值差异。而且，不同于传统蘑菇型器件结构，此结构中的电场均匀分布，因而避免了组分偏析，极大的延长了器件的寿命。随着工艺节点的减小，有限相变区域的缩小，器件的功耗将进一步降低。更重要的是，OTS单元和PCRAM单元在金属字位线下寄生效应减少，易三维集成，使海量存储变成现实。国内目前PCRAM芯片采用1T1R的结构，作为选通器件的MOSFET占用了很大的面积，使得存储密度低，芯片的存储容量难于提升。国内PCRAM必须遵循摩尔定律向着小型化、高密度、低成本化的方向发展，以满足人们对海量信息的需求，随技术节点越来越小，限制型结构与4F2交叉存储阵列是国产PCRAM的必然发展趋势（见图23a）。
图24 2009年Intel提出OTS+PCRAM存储阵列结构后，OTS材料的研究进展。由于PCRAM Reset操作熔化过程的高能耗，可与PCRAM集成的OTS选通管需要满足以下条件：1）能提高≥10 MA/cm2 的高驱动电流，以熔化相变材料实现Reset操作；3）由于读、写、擦过程均要打开选通管，OTS寿命要高于PCRAM单元的≥106的平均寿命；4）开关速度在百纳秒量级，不对存储单元产生明显操作延迟；5）由于OTS材料只有在非晶态时具有开关特性，OTS材料必须在后道回流焊工艺（相当于450 oC退火30分钟）中不结晶。虽然1968年S. R. Ovshinsky就公开提出了Ge10Si12As30Te48OTS材料，但是国内由于采用1T1R存储结构，一直没有关注。在2009年，Intel提出1S1R高密度存储阵列方案后，国际上众多公司和研究机构加入OTS材料研究，包括SK海力士、IBM、台湾旺宏、比利时微电子研究中心（IMEC）、法国电子信息技术研究所（Leti）、韩国浦项科技大学等。目前主流的OTS材料都是Te、Se基硫系化合物，如图24所示，通常与Ge结合，但各有优缺点。Te基OTS选通器件开关速度快（≤10 ns）、驱动电流大（>1 MA/cm2），但是结晶温度通常较低，漏导较大（见表2）。Se基OTS选通器件具有漏导小（~0.1 nA）、长寿命（最高在>1011次）等优点，但阈值电压相对较大。Se、Te共存的OTS材料似乎能够优缺点互补。为了改善结晶温度、漏导、阈值电压等特性，会引入As、Si、N、Sb中的一种或者多种。据TechInsights公司报道，Intel的3D Xpoint使用的就是Ge-As-Se-Si108。从表2可以清楚的看出，但是，目前主流OTS选通管从二元逐步走向四元甚至五元，材料组分复杂，这对晶圆级组分均一性造成巨大的挑战。同时，As掺杂造成毒性大问题，阻碍了其广泛应用，寻找环境友好型、高性能OTS材料一直是研究的热点。
图25 自主高驱动力GeS OTS器件性能：a）器件结构，b）多次I-V性能，c）开关速度，d）器件寿命。
国内OTS材料起步很晚，在2017年左右才从研究主流Ge-Se、Ge-As-Se材料开始，逐步过渡到自主高性能S基OTS材料（表2）。如图25所示，中科院上海微系统所研制的基于GeS的OTS器件具有驱动电流大（≥34 mA/cm2 电流密度）、开关速度快（~100 ns）以及长寿命（>108次）等特点。后续国内PCRAM芯片的研究重点是如何匹配OTS与PCRAM单元性能，开发无损刻蚀工艺，实现OTS与PCRAM单元的三维集成，并最终实现PCRAM芯片从二维结构（4F2存储密度）过渡到高密度三维结构（4F2/N存储密度, N为PCRAM单元层数）。基础研究方面，国际上越来越多的OTS开关模型被提出，如热失控模型、场致成核、纯电荷模型，以及近期提出的Ge瞬态细丝模型、场致键变模型等。可以看出OTS机理的关注重心从60-70年代的热效应，到20世纪初的纯电荷运动，到近期的微观结构以及化学键变化，与PCRAM的相变机理存在一定的相似性。从材料本身来讲，OTS与PCRAM均是使用硫系化合物，且都具有阈值转变现象，只是最终相变材料发生结晶并保持在晶态，而OTS材料仍维持非晶结构。值得注意的是，OTS材料结晶温度（250 oC~600 oC）远高于相变材料（≤300 oC），因而从某些程度来说，OTS材料可以看成是结晶温度特别高、结晶速度特别慢的相变材料。近期，中科院上海微系统所以OTS材料的缺陷态为切入点，发现了高浓度缺陷态引发的费米能级钉扎效应是OTS开关的关键，并结合理论计算，阐明了缺陷态的微观结构根源，建立了性能-缺陷态-微观结构三者的关系。这为OTS选通管性能的优化以及最终实现OTS材料的设计提供了理论基础。
PCRAM的高速、非挥发性、高密度等特点，为缓解与解决“存储墙”问题提供了新思路。最近的方案是利用PCRAM取代传统的内外存储器，减少存储层级，降低的数据传输延迟和功耗，与先进处理器系统级相连，实现近存储计算；次近的方案是将PCRAM技术应用到多核处理芯片中，为每一个计算核心配备一定容量的非易失存储，供其独自访问需要频繁使用的数据，不必与其它核心竞争处理芯片的外部存储总线，从而在很大程度上缓解“存储墙”问题。目前AI芯片方案大多采用了这类多核心架构，一旦成熟，将会形成对嵌入式非易失存储技术的大量需求，意法半导体正在进行嵌入式PCRAM技术开发以争取这一未来市场。最前沿的方案是利用高密度交叉型PCRAM的多阻态实现存算一体的类脑人工智能芯片, 从根本上解决“存储墙”问题。如图26a所示，交叉型PCRAM阵列有行、列两条正交互连线，互连线的每个结点处有一个PCRAM单元。对PCRAM阵列施加电压Vi（见图26b所示），根据欧姆定律，Iij=Vi*Gij, 其中Gij为i行j列PCRAM单元的电导率，就可以实现乘法运算。同时，作用后的PCRAM单元的电阻会发生变化，同步记录信息。根据基尔霍夫定律，i列总电流Ii 是各节点电流的叠加，Ii=, 总电流I是电导矩阵与电压向量的乘积结果，只需一步就完成乘法-加法运算，自然可以实现矩阵向量乘的硬件加速。相比于传统的存算分离的计算架构，基于交叉型PCRAM阵列不需要数据在存储器和CPU来回搬运，既能存又能算，因而更加节时、节能，有望解决冯诺依曼计算架构瓶颈。但是，此存算一体架构具有一定的应用局限性，适用于稀疏编码、图像压缩、神经网络等任务。
图26 PCRAM阵列与存算一体原理：a）交叉型PCRAM阵列结构，b）利用欧姆定律实现乘法运算，利用基尔霍夫定律实现加法运算。
交叉型PCRAM阵列与人脑的神经网络在功能上有很多相似之处。如图27a所示，一个神经元具有多个树突，主要用来接受传入信息，信息通过轴突传递进来后经过一系列的计算（细胞核）最终产生一个信号传递到轴突，轴突只有一条，轴突尾端有许多轴突末梢可以给其他多个神经元传递信息。轴突末梢跟其他神经元的树突产生连接，从而传递信号。这个连接的位置在生物学上叫做“突触”。也就是说一个神经元接入了多个输入，最终只变成一个输出，给到了后面的神经元。神经突触的学习过程被认为是通过突触重新配置神经元间的连接强度（突触的可塑性）而实现的。此过程可通过脉冲时序依赖可塑性（Spiking-Timing-Dependent Plasticity, STDP）学习规则来描述：两个神经元的活动，如果突触前膜受到的刺激早于突触后膜时，会引起突触的长时程增强，反之则会诱导出突触的长时程抑制。人脑中有~1011个神经元以及~1015个突触，而实现一个神经突触功能需要至少10个传统晶格管，器件面积大，难于设计与制造如此庞大的芯片。PCRAM的多组态特性与交叉型阵列的高存储密度客服了这个缺点，可用于构造类神经突触结构，如图27d所示。PCRAM单元可通过改变多个操作电脉冲的强度，对相变材料结晶率/非晶率进行可控调节（见图27b），从而将单元操作成阻值介于完全晶态（低电阻）和完全非晶态（高电阻）之间的多种状态（见图26c），由此实现多值存储和模拟生物突触的人工突触器件（见图27d）。通过结合STDP学习与训练方式，在多值相变单元完成突触权重存储的同时实现神经元信号在相变电阻网络中的传递与计算，达到人工神经网络存储与计算的深度融合，进而实现模式识别等认知功能。然而现有PCRAM单元在实现多值存储和模拟计算中面临中间阻态不稳定、电阻漂移和电阻一致性差等问题，影响了神经形态计算的精度和准确。因而，稳定可控的多阻态、芯片级电阻的一致性是实现类脑人工智能芯片的关键。
图27 基于PCRAM单元的神经突触和神经网络：a）神经元结构以及学习规则，b）PCRAM的部分晶化/非晶化实现电阻值可调，c）脉冲调控实现PCRAM多阻态，d）模拟突触的权重变化，e）基于PCRAM的人工神经元。
集成电路芯片是信息系统的核心，是国家基础性、先导性和战略性产业，是国家信息安全保证。存储芯片是集成电路三大芯片之一，占集成电路市场的~30%。然而，市场上主流的DRAM存储器被三星、海力士、美光三家公司所垄断，市场占有率超过95%；这三家制造商与东芝、西部数据以及英特尔等共同瓜分了另一主流存储器-SSD的市场。近年来，随着国家对存储器加大投入，已经形成了具有一定竞争力的存储器厂商，DRAM领域有合肥长鑫和晋华集成，Flash领域有长江存储和兆易创新。几年间，在3D NAND Flash和DRAM技术有较大的进步，后续的研究重点是自主芯片，满足应用的存储器良率的提升以及产能的放大，提高国内存储器市场竞争力，具有一定的市场占有率。同时，为避免重蹈覆辙，需大力开展下一代存储技术的研发，特别是MRAM、FeRAM、ReRAM和PCRAM等新型存储技术。研发具有自主知识产权的高性能海量存储技术将推动我国信息产业快速发展，产生巨大的经济效益。ReRAM需要实现对氧空位/金属细丝的精确控制，解决芯片阻值分散与存储的寿命问题；传统钙钛矿FeRAM的微缩性差，难以满足海量存储的要求，HfO2基FeRAM是发展方向；虽然国际上1Gb STT-MRAM测试芯片已被推出，但国内MRAM处于基础研究与芯片验证工程化阶段，；PCRAM技术比较成熟，国内外均已经实现量产，但国内PCRAM芯片的容量在Mb量级，远小于Intel量产的Gb量级。虽然在芯片容量上有很大差距，国内PCRAM在相变材料方面的研究已经达到国际领先水平，针对不同的应用场景，相继开发出了CGST、TST、SST等相变材料。在相变机理方面，提出了八面体基元理论与三维限定理论，对自主相变材料设计与研发的重要的指导作用。尽管如此，国内PCRAM必须遵循摩尔定律向着小型化、高密度、低成本化的方向发展，以满足人们对海量信息的需求，随技术节点越来越小，限制型结构与4F2交叉高密度存储阵列是国产PCRAM的必然发展趋势。这首先需要研发高驱动力低漏导的选通器件，将之与存储单元串联，以解决交叉存储阵列的串扰问题。同样利用硫系化合物作为存储介质的OTS选通管已被证实是最适合高密度PCRAM的选通管技术，是Intel的3D PCRAM走向市场的核心元器件。国内OTS材料起步很晚，在2017年左右才从研究主流Ge-Se、Ge-As-Se材料开始，逐步过渡到自主高性能S基OTS材料。后续国内PCRAM芯片的研究重点是如何匹配OTS与PCRAM单元性能，提升材料的热稳定性，开发无损刻蚀工艺等，实现OTS与PCRAM单元的1S1R三维集成，并最终实现国内PCRAM芯片从二维结构过渡到高密度三维结构。交叉阵列PCRAM的高速、非挥发性、高密度等特点，为缓解与解决“存储墙”问题提供了新思路。同时，PCRAM的多阻值特性与高密度特性，可用于构造类神经突触结构和神经网络。然而现有PCRAM单元在实现多值存储和模拟计算中面临中间阻态不稳定、电阻漂移和电阻一致性差等问题，影响了神经形态计算的精度和准确。因而，稳定可控的多阻态、芯片级电阻的一致性是实现类脑人工智能芯片的关键，在材料与器件工艺大力推进。第一篇 总论/ 001
第1章 我国新材料基础研究的现状、机遇与挑战/ 002
第二篇 前沿新材料/ 015
第2章 拓扑电子材料/ 016
第3章 六元环无机材料/ 036
第4章 有机光电功能半导体分子材料/ 064
第5章 梯度纳米结构材料/ 082
第6章 柔性超弹性铁电氧化物薄膜/ 098
第7章 集成电路用碳纳米管材料/ 113
第8章 新一代分离膜材料：二维材料膜/ 135
第9章 材料素化/ 154
第三篇 战略新材料/ 169
第10章 空间材料科学研究/ 170
第11章 生物医用纤维材料/ 194
第12章 钙钛矿发光、光伏及探测材料/ 211
第13章 新型超高强度钢及其强韧化设计/ 229
第14章 存储器芯片材料/ 247
第15章 先进半导体关键器件材料/ 278
第16章 热电能源材料/ 295
第17章 燃料电池氧还原催化关键材料/ 314
第四篇 基础创新能力提升/ 335
第18章 材料基因工程关键技术与应用/ 336
第19章 基于先进同步辐射光源的金属材料研究与创新平台建设/ 360
第20章 基于透射电镜的原位定量测试技术及应用/ 388