當(dāng)今的數(shù)字化時(shí)代，隨著 AI 和大數(shù)據(jù)應(yīng)用的快速發(fā)展，業(yè)界對(duì)高性能存儲(chǔ)芯片的需求日益增長。

現(xiàn)階段，傳統(tǒng)的硅基閃存芯片主導(dǎo)著非易失存儲(chǔ)市場，然而當(dāng)前非易失閃存的編程速度普遍較慢，大都在百微秒級(jí)，其速度限制了 AI 等應(yīng)用的表現(xiàn)。

近日，復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院周鵬、芯片與系統(tǒng)前沿技術(shù)研究院劉春森團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種可擴(kuò)展的規(guī)模化集成工藝用于制造二維超快閃存，有望解決當(dāng)前閃存技術(shù)的速度瓶頸問題，并加速超快閃存技術(shù)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)應(yīng)用進(jìn)程。

目前，這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)已經(jīng)以“A scalable integration process for ultrafast two-dimensional flash memory”（超快二維閃存的可擴(kuò)展集成工藝）為題發(fā)表在 Nature Electronics 上。

（來源：Nature Electronics）

閃存最初于 1967 年在貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明，由于擁有簡單的存儲(chǔ)機(jī)制以及低成本、高密度集成等的優(yōu)勢，閃存是現(xiàn)階段占據(jù)主導(dǎo)地位的非易失性存儲(chǔ)技術(shù)，目前約占非易失存儲(chǔ)器市場的 99%。

當(dāng)前，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的計(jì)算高度依賴存儲(chǔ)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(tuán)隊(duì)在先前的研究中發(fā)現(xiàn)通過改良新型二維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)可開發(fā)出納秒級(jí)的超快閃存技術(shù)，即能夠將編程速度提升 1000 倍以上，然而其在大規(guī)模集成方面仍然存在挑戰(zhàn)，難以付諸實(shí)際應(yīng)用。

圖｜超快閃存陣列的制造和表征（來源：Nature Electronics）

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

首先，研究團(tuán)隊(duì)使用化學(xué)氣相淀積（CVD）技術(shù)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(gòu)建閃存單元。

為了確保閃存單元具備超快編程能力，研究團(tuán)隊(duì)優(yōu)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(shè)計(jì)等。

他們利用原子力顯微鏡和透射電子顯微鏡對(duì)材料表面進(jìn)行了表征，證實(shí)了材料表面具有極高的平整度和平滑度，在規(guī)模化二維閃存中實(shí)現(xiàn)了具備原子級(jí)平整度的異質(zhì)界面，這有助于實(shí)現(xiàn)可靠的隧穿效率和良好的門控比。

他們通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，HPH 和 APA 兩種配置的閃存單元均能在室溫下表現(xiàn)出優(yōu)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(shí)驗(yàn)中，他們所使用的電壓脈沖寬度僅為 20 納秒，從傳統(tǒng)硅基閃存所需的百微秒級(jí)別降低到了數(shù)十納秒級(jí)別，大幅縮短了編程時(shí)間。

圖｜超快閃存陣列的統(tǒng)計(jì)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(shí)也是穩(wěn)定的。需要注意的是，該超快閃存器件突破了當(dāng)今硅基閃存物理尺寸（約 15 納米，更小會(huì)變得不穩(wěn)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(huán)壽命、20 納秒超快編程、10 年數(shù)據(jù)保存以及多態(tài)存儲(chǔ)等。

他們通過測試發(fā)現(xiàn)，在 1Kb 存儲(chǔ)容量的規(guī)模中、在納秒級(jí)編程速度下，該二維超快閃存的良率達(dá)到 98%，遠(yuǎn)高于國際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖（International Technology Roadmap for Semiconductors）對(duì)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(yàn)證。

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

總的來說，周鵬、劉春森團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)研究為二維超快閃存器件的大規(guī)模集成提供了新的思路和技術(shù)手段，此外，該研究還可以為其他基于二維材料的器件設(shè)計(jì)提供參考。

研究人員表示，接下來還將圍繞優(yōu)化制造工藝以進(jìn)一步提高良率和降低功耗，以及探索新型材料和結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)更高的速度和容量等多個(gè)方面開展深入研究，將其推向商業(yè)化應(yīng)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