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名师西电|周益春教授团队:深耕信息存储矢志科技报国

时间:2023-09-02 18:25

存储器作为电子信息系统的核心与基石,不仅是大国竞争的焦点,更是制约国家安全的关键和核心技术。周益春教授团队聚焦5d电子材料铁电性物理本质与存储器设计新理论研究,甘坐冷板凳,矢志科研报国,以构建电子、声子以及跨尺度畴变模型,揭示5d电子材料铁电性的物理本质及其介观响应规律,建立畴与场效应协同的复杂系统器件设计新理论,实现了铁电相、薄膜、存储器的全链条研制。

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周益春教授团队合影

“弯道超车”成为可能

虽然中国拥有世界上最大半导体市场,但长期以来,核心技术受制于人。从2006年开始,集成电路产业产品的进口超过石油成为我国最大宗进口产品,其中存储器占据重要地位。由于我国半导体行业起步较晚,动态随机存取存储器(DRAM)和闪存(Flash)基本被发达国家垄断。

在国家“十四五”规划纲要中,加强原创性引领性科技攻关方面,“先进存储技术升级”被列入“科技前沿领域攻关”重点领域。

“大力发展存储器不仅是市场需求,同时也是信息安全和产业安全的战略需要。”“华山学者”杰出教授、黄金城官网入口周益春教授表示。

随着物联网、人工智能、大数据等行业的发展,我国对于数据存储的需求呈现爆发式的增长。在新型存储器领域,国外技术壁垒尚未完全形成,为我国存储器发展实现“弯道超车”提供了可能。

铁电存储器是一种利用铁电材料的双稳态极化来进行信息存储的新型非易失性存储器。美国和日本等发达国家在上世纪末已经实现了锆钛酸铅(PZT)基铁电存储器的研制。因具有极优异的抗辐照性能、功耗低和写入速度快等优势,铁电存储器已成为战术导弹和卫星等武器装备信息存储的核心芯片,还广泛应用医疗电子、交通、工业控制等民用领域。

1997年,周益春教授团队就开始从事铁电薄膜及其存储器的研究,在PZT及其他钙钛矿结构铁电薄膜的制备、器件的集成等方面取得了系列创新性成果。但是PZT等传统钙钛矿结构铁电薄膜材料与CMOS工艺不兼容,会污染集成电路工艺线,同时,PZT铁电存储器产品的存储容量和速度也无法满足数据爆发式增长的需求。

与国际同步开展研究

“氧化铪基薄膜是集成电路中常用的栅绝缘层材料,不存在污染集成电路生产线的问题。”周益春教授介绍,氧化铪基薄膜表现出反尺寸效应,形成稳定极化状态的畴仅0.51nm,且其翻转速度小于0.3ns,有望引领存储器同时突破物理极限、存储鸿沟和集成电路工艺兼容性问题。

然而氧化铪基铁电薄膜及其存储器的实际应用仍面临着均一性差、唤醒效应、疲劳失效等有待突破的技术难点,根本原因在于对氧化铪的5d电子结构、畴结构、铁电相等反常铁电性科学本质认识不足。

周益春教授团队几乎与国际同步开展了5d电子材料铁电性物理本质与存储器设计新理论研究,并于2015年申请获批了第一个国家自然科学基金项目。

2016年,方向带头人廖敏教授从日本回国,团队的研究方向全部转向氧化铪基铁电薄膜与存储器。从薄膜到器件、小阵列等,团队对一个个技术难点进行攻关,经过一年的努力,实现了氧化铪基铁电薄膜到单元器件,再到小阵列的突破,并在多个国家部门争取到了项目经费支持。

在此基础上,周益春教授团队提出了场效应与畴结构耦合的器件设计理论,建立了源漏电流(存储窗口)与栅电压、极化、应变、应变梯度之间的关联,并研制出国内首款64 kbit的高速低功耗抗辐照氧化铪基铁电存储器芯片。研究成果填补了我国与CMOS工艺兼容铁电存储器设计与制备技术的空白,为解决我国铁电存储器自主可控问题提供了关键技术支撑。

2  64 kbit铁电存储器及其功能演示照片

“如何降低氧化铪基铁电薄膜的退火温度是氧化铪基铁电存储器的后栅极制备工艺和后端集成工艺的关键。”廖敏教授说,基于与主流集成电路工艺线兼容的原子层沉积工艺,研究团队提出硅衬底上制备氧化铪基铁电薄膜的化-力-电多场调控原理和晶态高介电常数绝缘层降低铁电相形成能的策略,实现了杂相(化)、界面(力)、畴(电、力)的协同调控,在国际上首次实现了氧化铪基铁电存储器的后栅极制备工艺和后端集成工艺。

3  (a) 8英寸氧化铪基铁电薄膜照片; (b) 后栅极工艺制备铁电存储单元照片

4氧化铪基铁电薄膜在(a)唤醒前和(b)唤醒后的晶相、电畴结构

在氧化铪基铁电薄膜“唤醒”效应与疲劳失效研究方面,研究团队基于密度泛函理论,从原子尺度研究了缺陷、应力和电场对氧化铪相变、极化翻转和电畴演变的影响;构建了氧化铪基铁电薄膜带电畴壁-内建电场的相场理论模型,预测了氧化铪尾对尾90°带电畴壁的存在,并从介观尺度阐明了带电畴壁含量、角度及位置对氧化铪基铁电薄膜“唤醒”效应与疲劳失效的影响规律。

始终聚焦国家重大战略需求

研究团队的科研之路并非一帆风顺,集成电路工艺对环境要求极高,需要用到超净间,且设备不能共用。团队建造超净间、购置和搭建相关工艺设备器件时,恰逢中美贸易战和疫情,给实验室平台建设带来了很大困难,对人才招聘和招生也造成重大影响。在西电校领导和各部门大力支持下,团队获得了充足的平台建设经费和人才招聘、招生指标,确保了项目顺利开展。

“从事新材料与器件研究中制备工艺攻关最辛苦、最累、压力也最大。”由于我国目前的集成电路工艺线大都是生产线,基本没有工艺线愿意停下生产让研究团队来进行工艺验证,流片价格高昂,而且在时间上没有商量的余地。

为了给电路设计预留足够的时间,负责工艺研究的团队成员连续多天在实验室24小时奋战。老师和学生在疫情隔离期间,反反复复对流片工艺方案进行优化和修正。最终,研究团队凭着逢山开路,遇水搭桥的闯劲,克服重重困难,研制出氧化铪基铁电存储器,完成了国家交给团队的使命。

从热障涂层到铁电薄膜与存储器,周益春教授团队始终聚焦国家空天装备对热防护与信息存储的重大需求,二十多年来紧紧围绕“热障涂层”“铁电薄膜与存储器”两个方向开展国际前沿科学和卡脖子关键技术研究。一代代人接续奋斗,为我国高端材料核心技术攻关作出了不可替代的贡献。