Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка технологических принципов изготовления и исследование приборных характеристик элементов энергонезависимой многократно программируемой резистивной памяти для интеграции в спецстойкий КМОП КНД процесс

Докладчик: Горшков Олег Николаевич

Должность: директор НИФТИ ННГУ, Директор, Руководитель

Цель проекта:
Проект в целом направлен на развитие научно-технологического потенциала отечественной радиоэлектронной промышленности, связанного с разработкой и производством новой наукоемкой продукции, посредством опытно-конструкторской реализации научно-технических и технологических решений по созданию нового поколения спецстойких электрически стираемых перепрограммируемых постоянных запоминающих устройств, принцип действия которых основан на использовании двух устойчивых состояний чаще всего диэлектрика: состояние с высоким сопротивлением и состояние с низким сопротивлением, многократное переключение между которыми осуществляется путем приложения внешних импульсов напряжения определенной полярности. Зарубежным аналогом таких элементов энергонезависимой многократно программируемой резистивной памяти (ЭЭМПРП) являются устройства RRAM (Resistive Random Access Memory) или так называемые мемристоры Целью проводимых прикладных научных исследований (ПНИ) является исследование и разработка комплекса научно-технологических решений, направленных на создание ЭЭМПРП со стабильными характеристиками резистивного переключения на основе тонкопленочных наноструктур, устойчивых к воздействию повышенной и пониженной температуры, ионизирующего и дефектообразующего облучения и совместимых с КМОП процессом. Достижение цели проекта обеспечит существенные предпосылки для реализации качественного скачка в развитии отечественной электронной промышленностью, который позволил бы занять передовые позиции в определенных областях (в частности, в сфере создания радиационно-стойкой электронной компонентной базы).

Основные планируемые результаты проекта:
Основные планируемые результаты ПНИ:
1) Научно-технологические решения по применению методов магнетронного распыления для изготовления тонкопленочных структур типа «металл-оксид-металл» (далее – ТПС), проявляющих после электроформовки многократное переключение между состоянием с высоким сопротивлением и состоянием с низким сопротивлением путем приложения внешних импульсов напряжения разной полярности.
2) Конструктивные варианты ТПС с вариацией состава и геометрии для создания ЭЭМПРП.
3) Научно-технологические решения по созданию ЭЭМПРП на основе ТПС.
4) Рекомендации по использованию результатов ПНИ в реальном секторе экономики, а также в дальнейших исследованиях и разработках.
5) Проект технического задания на проведение ОКР по теме «Разработка энергонезависимой многократно программируемой резистивной памяти на основе КМОП СБИС КНИ технологии».

Новизна предлагаемых научно-технологических и конструкторских решений основывается на использовании вариативного подхода к выбору материалов и конструктивных вариантов ТПС, который при этом увязан с необходимостью адаптации разработанных решений в существующий технологический процесс индустриального партнера (ИП). Такой подход обеспечит нахождение оптимальных решений по созданию ЭЭМПРП, удовлетворяющих высоким требованиям к уровням энергонезависимости и стойкости, которые будут впервые достигнуты в рамках проекта в связи с потенциальным применением запоминающих устройств нового поколения в специальной аппаратуре. Оригинальность выбранных способов решения поставленных задач обеспечивает получение результатов, способных к правовой охране.

Ориентация предлагаемого проекта на постановку промышленного производства ЭЭМПРП полностью соответствует российским и мировым научно-технологическим приоритетам, что подтверждается существующими прогнозами развития научно-технологической сферы в рассматриваемом направлении. Ключевым преимуществом заявляемого проекта по сравнению с аналогичными работами, выполняющимися в России и за рубежом, является его направленность на интеграцию разрабатываемой технологии изготовления ЭЭМПРП именно в спецстойкий КМОП процесс. Создание устройств резистивной памяти с повышенным уровнем устойчивости к воздействию температуры и спецфакторов будет уникальным для России.

Для доведения научно-технических результатов ПНИ до их потребителя ¬– ИП будут выполнены все необходимые действия и работы, предусмотренные в рамках Договора о дальнейшем использовании результатов прикладных научных исследований. Важнейшим результатом выполнения работ в рамках ПНИ будет являться разработка технических требований и предложений по разработке, производству и эксплуатации нового вида продукции (технологии создания устройств энергонезависимой многократно перепрограммируемой резистивной памяти) с учетом технологических возможностей и особенностей ИП, которые будут положены в основу выполнения опытно-конструкторских/технологических работ, направленных на разработку комплекта рабочей конструкторской документации, достаточного для организации технологического процесса на существующей технологической линии ИП.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Создаваемая научно-техническая продукция предназначена для применения в микро- и наноэлектронике и востребована ведущими производителями микроэлектроники, а также и другими организациями, заинтересованными в выполнении НИОКР в данной области. Инновационная составляющая предполагаемых к разработке и последующей реализации научных и научно-технических результатов, конструктивных и технологических решений будет состоять в создании спецстойких ЭЭМПРП для применений в условиях воздействия факторов космического пространства и ядерных реакторов. Оптимальным ИП для реализации данного проекта является ФГУП «ФНПЦ Научно-исследовательский институт измерительных систем им. Ю.Е. Седакова» (Нижний Новгород) – современный научно-производственный центр радиоэлектронного профиля в составе госкорпорации «Росатом», конкурентные позиции которого по отношению к крупным производителям микроэлектроники определяются возможностью организации гибкого опытного производства по результатам ПНИ, а также серийного изготовления новейших изделий микроэлектроники, в том числе двойного назначения.

Выполняемые исследования создают научно-технический задел по новым технологическим направлениям, которые могут изменить структуру производства электронных запоминающих устройств и, следовательно, структуру потребления товаров и услуг на динамично развивающемся рынке микроэлектроники, а также в сегменте радиационно-стойкой электронной компонентной базы. Объектом разработки является реализация новых наноматериалов и электронных устройств, отечественные промышленные аналоги которых отсутствуют. Разработка таких устройств позволит повысить уровень конкурентоспособности отечественной электроники на внутреннем (российском) рынке, а также (потенциально) вывести отечественные научно-практические разработки на внешний рынок гражданского и специального приборостроения.

К основным прогнозируемым социально-экономическим эффектам от использования продукции, созданной на основе результатов данного исследования относятся: а) создание принципиально новой продукции: устройств энергонезависимой резистивной памяти, демонстрирующих повышенные характеристики в условиях специальных воздействий; б) совершенствование технологических процессов с точки зрения повышения эффективности применения находящегося в эксплуатации у производителей микроэлектроники стандартного оборудования путём использования его при производстве новой продукции. Перспективность вновь создаваемой интеллектуальной собственности в части патентоспособности будущих результатов исследований и их лицензионных возможностей обосновывается возможностью интеграции разрабатываемых ЭЭМПРП в существующий спецстойкий КМОП КНД процесс.

Текущие результаты проекта:
На основе проведенного анализа научно-технической литературы, патентного поиска и предварительных исследований предложены научно-технологические решения по выбору материалов, типа ТПС, а также методу изготовления ТПС ЭЭМПРП. Разработаны различные конструктивные варианты ТПС (в количестве 21 шт.), которые предусматривают использование трех видов металлических электродов (Au, Au/Zr и Ti), двух значений площади электродов (1,26∙10-3 см-2 и 9,43∙10-3 см-2), трех значений толщины оксидного слоя (10, 40 и 60 нм), двух значений концентрации стабилизирующей примеси в оксидах ZrO2 и HfO2 (0 и 12 мол.% Y2O3), двух видов стехиометрии оксидов SiOx и GeOx (x ~ 2 и x < 2), а также двойного оксидного слоя GeOx/ZrO2(Y). Конструктивные варианты ТПС предложено реализовать на подложках с многослойной металлизацией с площадью 10 x 20 мм2 в соответствии с разработанной эскизной КД ТПС и технологическим процессом, который включает 4 операции, в том числе операцию контроля резистивного переключения в ТПС ЭЭМПРП.
Определены режимы магнетронного распыления, которые обеспечивают изготовление указанных вариантов ТПС ( мощность СВЧ-разряда в диапазоне 30-150 Вт, температуру подложки 200-400С, давление распылительной атмосферы от 3∙10-3 до 1,8∙10-2 Торр, долю кислорода в газовой смеси O2/Ar от 50% до 2,5%).
Разработанный технологический процесс изготовления ТПС ЭЭМПРП опробован при изготовлении тестовых ТПС «металл-оксид-металл», на которых продемонстрировано многократное переключение между состоянием с высоким сопротивлением и состоянием с низким сопротивлением путем приложения внешних импульсов напряжения (5 В) разной полярности. Фактические данные по параметрам резистивного переключения соответствуют требованиям ТЗ к техническим характеристикам лабораторных образцов ТПС и включают: отношение сопротивлений в состоянии с высоким сопротивлением и состоянии с низким сопротивлением более 10, число циклов резистивного переключения более 10000, напряжение резистивного переключения в диапазоне 2-5 В.
За счет средств ИП изготовлены пластины с многослойной металлизацией, необходимые для формирования ТПС ЭЭМПРП, проведены исследования параметров тестовых ТПС ЭЭМПРП, разработана топология ЭЭМПРП для изготовления фотошаблонов на следующем этапе проекта.

По результатам выполнения работ опубликована одна статья в журнале Письма в журнал технической физики (Technical Physics Letters), одна статья направлена для опубликования в журнале Materials Science and Engineering B. Оба журнала индексируются в базах WoS и Scopus.