成果发布 | 新一代非易失性阻变存储器技术

清华成果与知识产权2018-11-08 14:54:17

新一代非易失性阻变存储器技术

01.

本成果属于非易失性存储器(Non-volatile Memory)领域。存储芯片是全球三大半导体产品类型之一,应用领域广泛,市场规模巨大。目前主流的硅基浮栅存储器(闪存)随着工艺技术在进入22纳米工艺节点后,由于工艺复杂,超薄氧化层中直接隧穿效应、应力导致的漏电效应、源漏穿通效应和邻位干扰严重等多种因素限制单元尺寸进一步缩小,存储器单元尺寸的缩小面临着巨大的困难。为了解决传统闪存面临的上述问题,各种类型的新型非易失型存储器不断涌现出来。新一代非易失性阻变存储器(RRAM)由于结合了SRAM,DRAM和FLASH的优点于一身,可以实现非易失性、超高密度、低功耗、低成本和高比例缩小的特点,被工业界认为是最有可能的下一代非易失性存储器。

图1 RRAM的存储单元结构及工作机制

本成果涵盖了从RRAM存储单元到完整RRAM存储器的材料体系设计、单元结构设计、制造工艺、电路设计以及可靠性优化办法在内的全套流程,具体包括:

  • 开发出了基于金属氧化物的阻变材料体系。基于该材料的阻变存储器与标准CMOS工艺完全兼容,并且基于该材料的阻变存储器具有耐久性好,数据保存能力好,阻变性能稳定,器件成品率高等优点。

  • 在操作算法的开发优化上,针对大规模阵列应用开发出了能够提高器件与器件之间阻变均一性和单个器件多次循环操作之间阻变性能均一性的操作算法。测试结果表明所开发的操作算法大大提高了器件之间和单器件多次循环操作之间阻变性能的均一性。

  • 在物理模型建立的基础上,开发了用于大规模阵列制备时模拟阻变存储器性能的阻变存储器紧凑模型。

  • 在半导体代工厂制作出了基于现有CMOS工艺的具有完整功能的16Mbit RRAM存储阵列演示芯片,测试结果显示了良好的器件成品率和性能均一性,已经接近产品化的水平。

采用本成果技术制造的RRAM原型存储器的性能指标在该领域内已经达到了国际先进,国内一流的水平,具有良好的产业化前景。低功耗和小尺寸的特性使得RRAM非常适合应用在物联网、可穿戴等对功耗和芯片尺寸要求比较高的领域,介于DRAM和Flash之间的高速度和高耐久性的特性使得RRAM很适合用于储存级存储器(SCM:Storage-Class Memory),同时RRAM模拟和数字相结合的特性使其可以实现存储与计算结合的类脑计算架构(In-Memory-Computing)。短期来看,RRAM可以替代嵌入式和低容量闪存,中期来看可以替代中、高容量的存储级闪存,长期来看RRAM也很有可能会成为新一代计算架构的核心技术。

图2 本成果的RRAM存储芯片

2.

借助于RRAM低功耗、低成本、高速度、抗辐照、类突触等特性,本成果产品可广泛应用于物联网与可穿戴,工业控制,智能汽车,航空航天,人工智能等领域。

03.

本成果已申请发明专利22项。

04.

本成果团队长期研究新型半导体存储器技术,从阻变材料、器件结构、电路设计、制造工艺,到阻变存储器在嵌入式存储、信息安全、抗辐射和类脑等方面的应用,做了大量深入系统的研究工作。团队课题负责人为清华大学长聘教授、博士生导师,在Nature Communication, Nano Letters, Scientific Reports等高水平期刊和IEDM, VLSI, IMW等顶级会议发表论文100余篇,申请专利50余项,SCI他引1000余次。团队成员还包括副教授和副研究员6人,高级工程师1人,其他研究人员5人,以及博士后、博士和硕士约30人。

05.

投融资。

06.

010-62798352

liuyi2017@tsinghua.edu.cn


成果编号:0019


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