20納秒超快編程、10萬次循環壽命，復旦團隊開發出超快閃存芯片的規模集成工藝

當今的數字化時代，隨著 AI 和大數據應用的快速發展，業界對高性能存儲芯片的需求日益增長。

現階段，傳統的硅基閃存芯片主導著非易失存儲市場，然而當前非易失閃存的編程速度普遍較慢，大都在百微秒級，其速度限制了 AI 等應用的表現。

近日，復旦大學微電子學院周鵬、芯片與系統前沿技術研究院劉春森團隊開發出一種可擴展的規模化集成工藝用于制造二維超快閃存，有望解決當前閃存技術的速度瓶頸問題，并加速超快閃存技術進入產業應用進程。

目前，這項研究發現已經以“A scalable integration process for ultrafast two-dimensional flash memory”（超快二維閃存的可擴展集成工藝）為題發表在 Nature Electronics 上。

（來源：Nature Electronics）

閃存最初于 1967 年在貝爾實驗室發明，由于擁有簡單的存儲機制以及低成本、高密度集成等的優勢，閃存是現階段占據主導地位的非易失性存儲技術，目前約占非易失存儲器市場的 99%。

當前，數據驅動的計算高度依賴存儲性能，但是閃存在速度方面卻存在較大的局限性。

二維（2D）材料有望用于制造超快閃存，基于此，周鵬、劉春森團隊在先前的研究中發現通過改良新型二維半導體結構可開發出納秒級的超快閃存技術，即能夠將編程速度提升 1000 倍以上，然而其在大規模集成方面仍然存在挑戰，難以付諸實際應用。

圖｜超快閃存陣列的制造和表征（來源：Nature Electronics）

在這項新研究中，他們使用二維材料制造超快閃存，并開發出一種用于制造二維超快閃存的規模化集成工藝。

首先，研究團隊使用化學氣相淀積（CVD）技術在硅片上生長的單層二硫化鉬作為溝道材料，并采用兩種不同的隧穿勢壘配置：HfO2/Pt/HfO2（HPH）和 Al2O3/Pt/Al2O3（APA）構建閃存單元。

為了確保閃存單元具備超快編程能力，研究團隊優化了制造過程中的界面工程，包括制造過程中界面的清潔度和平整度，以及低載流子隧穿勢壘的設計等。

他們利用原子力顯微鏡和透射電子顯微鏡對材料表面進行了表征，證實了材料表面具有極高的平整度和平滑度，在規模化二維閃存中實現了具備原子級平整度的異質界面，這有助于實現可靠的隧穿效率和良好的門控比。

他們通過實驗發現，HPH 和 APA 兩種配置的閃存單元均能在室溫下表現出優異的性能，其中，由于 HPH 配置下的閃存單元具有較低的電子隧穿勢壘，因此可以在更低的電壓下工作。

在實驗中，他們所使用的電壓脈沖寬度僅為 20 納秒，從傳統硅基閃存所需的百微秒級別降低到了數十納秒級別，大幅縮短了編程時間。

圖｜超快閃存陣列的統計性能（來源：Nature Electronics）

他們制備出溝道長度僅為 8 納米的超快閃存器件，證明了二維超快閃存即使在溝道長度縮小到 10 納米以下時也是穩定的。需要注意的是，該超快閃存器件突破了當今硅基閃存物理尺寸（約 15 納米，更小會變得不穩定）的極限，是目前國際上溝道長度最短的超快閃存器件。

性能方面，他們制備的這種超快閃存器件具備 10? 次循環壽命、20 納秒超快編程、10 年數據保存以及多態存儲等。

他們通過測試發現，在 1Kb 存儲容量的規模中、在納秒級編程速度下，該二維超快閃存的良率達到 98%，遠高于國際半導體技術藍圖（International Technology Roadmap for Semiconductors）對閃存制造的良率要求（89.5%）。

值得一提的是，此次的研究在國際上首次完成了 1Kb 二維超快閃存陣列集成的驗證。

圖｜溝道長度小于 10 納米的閃存器件的實現和表征（來源：Nature Electronics）

總的來說，周鵬、劉春森團隊的這項研究為二維超快閃存器件的大規模集成提供了新的思路和技術手段，此外，該研究還可以為其他基于二維材料的器件設計提供參考。

研究人員表示，接下來還將圍繞優化制造工藝以進一步提高良率和降低功耗，以及探索新型材料和結構以實現更高的速度和容量等多個方面開展深入研究，將其推向商業化應用階段。

參考資料：

1.https://doi.org/10.1038/s41928-024-01229-6

2.https://sme.fudan.edu.cn/60/68/c31158a352360/page.htm

3.https://fics.fudan.edu.cn/b3/35/c22620a242485/page.htm