国产存储器的“逆袭” | 科技自立自强之路

作者: 张双虎

来源: 中国科学报

发布日期: 2024-08-22 17:01:03

中国在存储技术领域通过自主研发和创新,成功实现了从依赖进口到自主生产的转变,特别是在三维存储器技术上取得了重大突破,推动了国产存储产品市占率的提升,为全球存储技术发展贡献了“中国智慧”。

数据存储是“信息技术大厦”的基座,是新质生产力发展的“强力引擎”。长期以来,中国是存储设备消费大国,但存储领域的核心产品却长期依赖进口。早在2008年,国务院批准实施“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”国家重大科技专项,为集中力量研发国产存储设备提供了条件。

不久,在中国科学院院士刘明带领下,中国科学院微电子所开始针对先进存储技术开展基础研究,在业界并不看好的情况下,致力于国产存储技术及相关产品“突围”。2013年,闪存技术开始从二维向三维“迁移”,为进一步将前沿技术转化为商品,研发团队开始尝试整建制进驻企业,利用企业的工艺平台展开工艺和器件研发。经过几年技术攻关,研究团队全面掌握了三维存储器的制备工艺,迈出了产业化的关键一步。

存储芯片分为“阵列区”(核心电路)和“外围区”(外围电路),业内通常将两部分放在一块硅片上,但这既浪费了部分芯片面积,也带来一些性能方面的局限。为规避这些问题,联合团队创造性地提出将阵列区和外围区分开加工,采取先“分区而治”,再通过晶圆之间的“键合”作用“合”成一块晶片,然后进行切割加工的“键合工艺”。最终,经过8个月艰苦奋战,联合团队先后完成工艺流程设计、掩膜版设计、关键工艺模块开发等任务。

2015年5月3日,第一个全流程9层存储结构三维存储器件产出,这标志着我国首次自主研发的三维存储器工艺流程顺利贯通,而且这种创新的工艺大幅提高了存储密度和芯片性能,被认为是芯片架构和工艺的重大创新。从工艺原型转化成真正能应用的存储芯片要走的路还很长,9层存储原型开发成功后,团队立即切入32层存储器开发。国际上,三星、东芝、美光等都是步步为营,从24、32、48、64、96层一步步走到128层。

该团队着手研发32层时,国际头部厂商已开始向48层切换。为赶上国际先进水平,团队制定了“跳代”开发计划,跳过48层,直接开发64层,然后跳过96层进入128层。一位研发人员回忆,“这风险很大,有可能根本做不出来。”但作为追赶者,他们别无选择。碰巧,前期做“键合工艺”时采用“分区而治”策略带来另一个好处,阵列区和外围区意外形成了“两条腿”,这样迭代升级的时候,阵列区和外围区可以互为支撑,循序向前。

一条新技术路线的开辟对于拓荒者而言,往往面临“生死抉择”,幸运的是,联合团队一路披荆斩棘、攻坚克难,不但把器件做出来,而且将良品率提升至90%以上。服务国家战略需求,服务经济社会发展是科研“国家队”的使命。研究人员自豪地回忆,为在存储领域站稳脚跟,研究人员对阻变存储器、纳米晶存储器、三维存储器闪存等新型存储主“赛道”全面布局。

为推动存储器产业发展,研究所联合中芯国际创立28纳米嵌入式阻变存储器集成工艺,研制出国际首款128兆字节大容量存储芯片。在此过程中,他们开发的先进节点嵌入式阻变存储器技术解决了28纳米及以下芯片的工艺难题。目前和国际相比,中国虽然起点低、起步晚,但相关技术及产品已进入第一梯队,国产存储产品市占率也稳步提升。中国在新型存储领域步步深入,在多个技术方向不断突破,为全球存储技术发展贡献着“中国智慧”。

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