应用于RFID芯片中低功耗相变存储器的研究

RFID技术是未来信息社会建设的一项基础技术。相变存储器（PCRAM）是以硫系化合物为基础的半导体存储器。PCRAM在工艺上和标准CMOS技术完全兼容，只要增加3张光罩就能完成PCRAM芯片的制备。PCRAM在低压、低功耗、高速、高密度和嵌入式存储方面具有广阔的商业前景。PCRAM被认为是最有希望替代FLASH的下一代非挥发性存储器。. 本项目利用相变存储材料在低功耗和尺寸效应上的优势。从相变存储单元Hspice模型建立开始，建立一套PCRAM的设计流程和集成环境。采用亚阈值电压和正常电压为工作电源、串行写入和串行读出的工作模式、时序自控电路结构控制读写以及40nm制备工艺的方案来降低PCRAM的功耗。研制出一款基于中芯国际40nm低功耗工艺，存储容量64kb，写入电流小于0.8mA，读出速度在100ns以内，读写次数超过一亿次的低功耗PCRAM芯片。其功耗和性能满足RFID的需求。

相变存储器（PCRAM）是以硫系化合物为基础的半导体存储器。PCRAM 在工艺上和标准CMOS 技术完全兼容，PCRAM 在低压、低功耗、高速、高密度和嵌入式存储方面具有广阔的商业前景。PCRAM 被认为是最有希望替代FLASH 的下一代非挥发性存储器。该项目从相变存储单元Hspice模型建立开始，基于相变材料的物理机制建立相变存储器Hspice模型，抽取实验数据对Hspice模型进行校对，并用于该项目的芯片设计中；研究相变存储器电流编程方法及实现电路，特别研究了电流脉冲阶梯波形对相变存储单元性能的影响；为了降低功耗研究了写前预读写后校验算法对芯片功耗的降低，研究对比了PCRAM电压和电流读出方法的优缺点，并最终采用电流全差分读出电路，实现了相变存储器的高速读出，最快可达70ns的随机读取。经过多次流片及电路优化，在代工厂实现了全部工艺的集成，最后基于40nm工艺制备出的64Mb PCRAM，实现了电流0.5mA的写入，最快读出速度达到了70ns，读写次数达到了10^10，数据保持力为10年。发表学术论文17篇，申请专利17项，其中授权12项。40nm工艺相变存储器芯片的制备，填补了在国内在相变存储器研究领域的空白，为相变存储器的在国内的研究进行了有益的探索，为高密度低功耗相变存储器的商业化推广奠定了基础。