Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка элементов энергонезависимой памяти топологии IT-IR на основе эффекта резистивного переключения в тонких слоях оксидов переходных металлов

Докладчик: Зенкевич Андрей Владимирович

Должность: зав. лаб., к.ф.-м.н.

Цель проекта:
Цель проекта - проработка научно-технических решений в области быстродействующей энергонезависимой памяти (ReRAM), основанной на эффекте резистивного переключения в структурах металл-оксид-металл (МОМ), для последующего внедрения в производство на технологических линиях отечественных предприятий полупроводниковой индустрии.

Основные планируемые результаты проекта:
Основным результатом проекта планируется элемент памяти ReRAM топологии 1T-1R (один транзистор - один управляемый резистор).
Разрабатываемая память ReRAM существенно превосходит традиционную энергонезависимую флеш-память по ряду ключевых параметров:
время перезаписи состояния ячейки памяти ReRAM ~ 10-50 нс, флеш-память ~ 1-10 мкс; количество циклов перезаписи ячейки памяти ReRAM ~ 10^9-10^12 раз; флеш-память ~ 10^5 раз.
В ходе работ применяются оригинальные решения по интеграции и адаптации элементов памяти ReRAM топологии 1T-1R к технологическим процессам индустриального партнера (ОАО "НИИМЭ и Микрон").
В части параметров функциональных МОМ-структур работы по данному проекту поддерживают паритет с результатами аналогичных работ, определяющими мировой уровень.
В рамках проекта осуществляются поисковые исследования и выбор материалов функциональных МОМ-структур путем экспериментального исследования электрофизических свойств изготавливаемых тонкоплёночных МОМ-структур и построения модели эффекта резистивного переключения. Также будут проработаны вопросы интеграции запоминающих ячеек и управляющих транзисторов в единый элемент памяти топологии 1T-1R с ориентацией на интеграцию в технологические процессы индустриального партнера (ОАО "НИИМЭ и Микрон").
Основные риски и ограничения представляются в отсутствии в последние десятилетия широкой практики внедрения в микроэлектронное производство оригинальных компонент на основе отечественных научных разработок, что определят отсутствие стандартных процедур взаимодействия представителей "академических исследователей" и "индустриальных разработчиков" по внедрению в технологические процессы новых компонент, для которых изначально отсутствуют IP-блоки или SPICE-модели. Данное обстоятельство может существенно замедлить темпы проведения исследований и разработок в предметной области проекта.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Основной способ использования ожидаемых результатов - внедрение в производство энергонезависимых устройств памяти с резистивным механизмом переключения (ReRAM) на производственных мощностях индустриального партнера - ОАО "НИИМЭ и Микрон" (г. Зеленоград), после проведения НИОКР и ОТР, направленных на разработку конкретных изделий на основе полученного в ходе планируемых работ научно-технического задела.
Согласно подсчетам аналитиков из DRAMeXchange, в 2013 году оборот отрасли флэш-памяти типа NAND составил $25,39 млрд. В ближайшем будущем спрос в этом сегменте будет неуклонно расти также за счет нарастания популярности твердотельных накопителей, eMMC-решений. В долгосрочной перспективеReRAM способна дополнить или даже заменить привычные модули оперативной памяти за счет сочетания
высокой скорости записи/перезаписи (в отличии от флэш-памяти) и преимуществ энергонезависимости (в отличии от DRAM-памяти). Ввиду гигантской ёмкости рынка [И. Лапинский, Рынок флэш-памяти на подъеме // PC Week/RE №20 (840) 20 августа 2013 http://www.pcweek.ru/business/article/detail.php?ID=153318] выпуск отечественной реализации ReRAM даже с некоторым опоздание от мировых лидеров (в худшем случае до 3-5 лет) позволяет прогнозировать востребованность результатов работ, особенно в
области специальных применений, требующих максимального использования отечественной компонентой
базы.
Конкурентными преимуществами новой продукции - ReRAM по сравнению с традиционной флэш-памятью являются прежде всего быстродействие (время перезаписи ReRAM менее 50 нс, против 0,1-10 мс) и надежность - потенциально более триллиона циклов перезаписи для ReRAM и менее 10 миллионов циклов перезаписи для флэш-памяти). Также ожидается повышенная радиационная стойкость ReRAM по
сравнению с флэш-памятью (на транзисторах с плавающим затвором). Все это делает ReRAM чрезвычайно привлекательной как для реализации модулей памяти встраиваемых систем, так и для создания твердотельных устройств хранения информации.

Текущие результаты проекта:
Были детально проанализированы международные научно-технические литературные источники, а также проведены патентные исследования на предмет выяснения сегодняшнего статуса исследований и разработок в области резистивной энергонезависимой памяти в мире, а также возможного места такого рода устройств в сравнении с альтернативными конкурирующими концепциями. На основе такого анализа были выбраны наиболее подходящие, с точки зрения возможных перспектив внедрения в промышленность, экспериментальных возможностей лаборатории, а также технологических возможностей индустриального партнера, комбинации материалов в слоях функциональных структур металл-изолятор-металл, в частности, TiN/HfO2/TiN и TiN/Ta2O5/TaOx/TiN. Разработаны лабораторные методики роста такого рода структур методами атомного слоевого осаждения и электронно-лучевого осаждения, с помощью которых выращены образцы тонкопленочных структур, в том числе, на чипах индустриального партнера с подготовленными заготовками нижних электродов субмикронного размера. Детально исследованы химический состав и структурные свойства выращенных слоев оксидов металлов нанометровой толщины в функциональных структурах, а также границ раздела с электродами. Разработаны методики проведения квазистатических и импульсных электрофизических измерений для исследования механизмов резистивного переключения, а также для тестирования функциональных свойств выращенных МИМ-структур, в том числе, величин управляющих напряжений, отношения электросопротивлений ячейки при перезаписи (Ron/Roff), возможного количества циклов перезаписи. Одновременно проводилось теоретическое моделирование процессов резистивного переключения в сверхтонких слоях оксидов переходных металлов для выяснения истинных механизмов переключения. Полученные результаты будут использованы при создании эмпирической модели поведения резистивных элементов ячеек ReRAM, проведении компьютерного моделирования функционирования устройств памяти на их основе, а также для разработки схемотехнических решений сопряжения резистивных элементов и коммутирующих транзисторов для формирования дискретных ячеек памяти 1Т-1R.