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

Номер контракта: 14.575.21.0029

Руководитель: Горшков Олег Николаевич

Должность: заведующий отделом НИФТИ ННГУ

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И.Лобачевского"
Организация докладчика: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный университет им. Н.И.Лобачевского"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
энергонезависимая память, резистивное переключение, тонкопленочная структура, элемент памяти, стойкость

Цель проекта:
Проект 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 (ТПС), устойчивых к воздействию повышенной и пониженной температуры, ионизирующего и дефектообразующего облучения и совместимых с КМОП процессом.

Основные планируемые результаты проекта:
К основным запланированным результатам проекта относится разработка научно-технологических решений по применению методов магнетронного распыления для изготовления ТПС типа «металл-оксид-металл», проявляющих после электроформовки многократное переключение между состоянием с высоким сопротивлением и состоянием с низким сопротивлением путем приложения внешних импульсов напряжения разной полярности. Должны быть разработаны конструктивные варианты ТПС с вариацией состава и геометрии для создания ЭЭМПРП, а также научно-технологические решения по созданию ЭЭМПРП на основе ТПС. Должны быть разработаны рекомендации по использованию результатов ПНИ в реальном секторе экономики, а также в дальнейших исследованиях и разработках. Должен быть разработан проект технического задания на проведение ОКР по теме «Разработка энергонезависимой многократно программируемой резистивной памяти на основе КМОП СБИС КНИ технологии».

Ключевая характеристика разрабатываемых научных и научно-технических результатов, конструктивных и технологических решений состоит в их ориентации на создание высоконадежных ЭЭМПРП для применений в условиях воздействия факторов космического пространства и атомных реакторов.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Конечным продуктом проекта является технология создания запоминающих устройств, реализацию которых целесообразно осуществлять в тех нишах рынка, для которых первостепенную роль играют повышенная радиационная стойкость памяти и её устойчивость к температурным перепадам. Поэтому в качестве целевых сегментов первого этапа целесообразно рассматривать космическую технику и другие виды высоконадежной аппаратуры. По оценкам Индустриального партнера (ИП), на его технологической линии после дооснащения необходимым оборудованием может производиться порядка 10000 микросхем в год, что составляет 60-80% рынка спецстойкой энергонезависимой многократно программируемой памяти в РФ. При стоимости зарубежных аналогов 150-200 тыс. руб. объем реализации продукции составит около 1,5-2,0 млрд. руб. При модернизации технологической линии ИП можно будет выпускать до 100% необходимых в РФ спецстойких микросхем памяти.

Достижение цели проекта обеспечит существенные предпосылки для реализации качественного скачка в развитии отечественной электронной промышленностью, который позволит занять передовые позиции в сфере создания радиационно-стойкой электронной компонентной базы.

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 ИП. Такой подход обеспечит нахождение оптимальных решений по созданию ЭЭМПРП, удовлетворяющих высоким требованиям к уровням энергонезависимости и надежности, которые будут впервые достигнуты в рамках проекта в связи с необходимостью применения запоминающих устройств нового поколения в специальной аппаратуре.

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. 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.

Результаты выполнения работ в рамках ПНИ будут использованы при разработке 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.

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.

Ожидаемый эффект от внедрения результатов данного исследования состоит в снижении сложности, стоимости и сроков постановки новой технологии изготовления устройств энергонезависимой резистивной памяти путем интеграции разрабатываемых научно-технологических решений в существующий спецстойкий КМОП процесс. Выполненные оценки показали, что внедрение разрабатываемой технологии производства микросхем RRAM в НИИИС на существующей технологической линии КМОП КНИ характеризуется средней сложностью постановки технологии, минимальными затратами на дооснащение дополнительным оборудованием (450 млн. руб. по сравнению с 720 и 1950 млн. руб. для FRAM и MRAM, соответственно), минимальными затратами на дополнительные исследования при постановке технологии (150 млн. руб. по сравнению с 300 и 830 млн. руб. для FRAM и MRAM, соответственно), а также минимальным временем разработки и постановки технологии – до 5 лет.

Результаты проекта окажут существенное влияние на развитие исследований в рамках международного сотрудничества благодаря активному участию исполнителей в международных научных конференциях и семинарах с докладами по тематике проекта. Установление и развитие контактов и сотрудничества с лидирующими международными коллективами позволят существенно расширить доступ к материально-технической и информационной инфраструктуре для решения задач проекта.

Текущие результаты проекта:
Имитационные испытания на стойкость к ионизирующему и нейтронному воздействию 10 конструктивных вариантов ТПС ЭЭМПРП, отобранных по результатам лабораторных испытаний, реализованные путем облучения протонами (H+) и ионами (Si+, O+, Kr+, Xe2+) средних энергий (до 150 кэВ), показали стойкость ТПС к облучению, за исключением ТПС на основе тонких пленок оксидов (10 нм). По результатам обработки и анализа результатов имитационных испытаний лабораторных образцов ТПС ЭЭМПРП отобраны 5 вариантов ТПС, проявивших при радиационном воздействии наименьшие относительные изменения параметров резистивного переключения, в том числе: отношение сопротивлений в состоянии с высоким сопротивлением и состоянии с низким сопротивлением; напряжения резистивного переключения. Разработанные научно-технологические решения по созданию макетов ЭЭМПРП на основе отобранных конструктивных вариантов ТПС отражены в эскизной конструкторской документации (спецификация, сборочный и габаритный чертежи, ведомость покупных изделий, МНЗ с топологическими чертежами, чертежи пластины и кристалла) и технологической документации (схема процесса, технологические инструкции на 11 технологических и 1 контрольную операцию) и реализованы путем изготовления тестовых кристаллов макетов ЭЭМПРП. Сделаны доклады по результатам проекта на международной конференции по взаимодействию ионов с поверхностью (ISI-2015, Россия), на международном семинаре по энергонезависимой резистивной памяти (G-ReRAM-2015, Греция) и на международной конференции по радиационным эффектам в диэлектриках (REI-2015, Индия).

За счет средств ИП проведена сборка макетов ЭЭМПРП в корпус с разваркой элементов памяти на внешние выводы. В ходе исследований установлена работоспособность макетов ЭЭМПРП с площадью 5х5 мкм, необходимых для создания памяти информационной емкостью более 1 Мбит. Разработана эксизная топология микросхемы памяти информационной емкостью 256 Кбит на основе ячеек памяти 4Т2С и технологического процесса КМОП КНИ с проектными нормами 0,35 мкм. Организовано участие сотрудника ИП с докладом на отраслевой научно-технической конференции Росатома.

По результатам выполнения работ опубликована одна статья в журнале Materials Science and Engineering B и одна статья в журнале Письма в журнал технической физики (Technical Physics Letters). Оба журнала индексируются в базах WoS и Scopus. Подготовлена заявка на изобретение «Способ получения изображения методом взрывной фотолитографии».