Регистрация / Вход
Прислать материал

14.575.21.0029

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.575.21.0029
Тематическое направление
Информационно-телекоммуникационные системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И.Лобачевского"
Название доклада
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
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Проект направлен на создание нового поколения спецстойких 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 или так называемые мемристивные устройства.

Цели прикладных научных исследований (ПНИ), проводимых в рамках проекта: 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.

Задачи ПНИ:
— разработка научно-технологических решений по созданию ЭЭМПРП, устойчивых к воздействию температуры и спецфакторов;
— моделирование и макетирование научно-технологических решений, изготовление макетов ЭЭМПРП и экспериментального образца микросхемы резистивной памяти, проведение лабораторных и имитационных испытаний, экспериментальных исследований;
— разработка технических требований для последующей опытно-конструкторской реализации результатов ПНИ на технологической линии КМОП КНД Индустриального партнера (ИП) – Межведомственного центра ФГУП «ФНПЦ НИИИС им. Ю.Е. Седакова» (МВЦ НИИИС).
Актуальность и новизна исследования
Физика резистивного переключения и технологии создания ЭЭМПРП находятся в фокусе внимания ведущих мировых производителей электронной компонентной базы, таких как Intel, Samsung, ST Electronics, Toshiba, Hewlett-Packard и др. Несмотря на интенсивные исследования и разработки в области ЭЭМПРП, коммерческое производство таких устройств в настоящее время не развито. Открытыми остаются вопросы, связанные с разработкой технологий, обеспечивающих оптимальные значения параметров элементов памяти (напряжения записи и считывания, малые значения времён записи и считывания, высокое число переключений, малый разброс параметров ЭЭМПРП), устойчивость по отношению к факторам радиационного и температурного воздействия (спецстойкость), а также с их интеграцией в стандартный КМОП процесс. Ответы на указанные вопросы получены в рамках ПНИ, выполненных в ходе реализации настоящего проекта.

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

В ходе выполнения проекта разрабатывается комплекс 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. Разрабатываются конструктивные варианты ТПС с вариацией состава и геометрии для создания ЭЭМПРП, а также научно-технологические решения по созданию ЭЭМПРП на основе ТПС. Разрабатываются рекомендации по использованию результатов ПНИ в реальном секторе экономики, а также в дальнейших исследованиях и разработках. Разрабатывается проект технического задания на проведение ОКР по теме «Разработка энергонезависимой многократно программируемой резистивной памяти на основе КМОП СБИС КНИ технологии».

Ориентация проекта на постановку промышленного производства ЭЭМПРП полностью соответствует российским и мировым научно-технологическим приоритетам, что подтверждается существующими работами по прогнозированию развития научно-технологической сферы в рассматриваемом направлении. Ключевым преимуществом настоящего 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 является уникальным для России и обеспечит решение задач импортозамещения в сфере радиационно-стойкой электронной компонентной базы.

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 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 конечной 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.

Результаты исследования

Предложены и реализованы научно-технологические решения по формированию конструктивных вариантов ТПС с вариацией в части материала электродов (Au, Au/Zr и Ti) и площади верхнего электрода (1∙10-3 см-2 – 1∙10-2 см-2), материала оксида (ZrO2 и HfO2, SiOx и GeOx) и толщины оксидного слоя (10, 40 и 60 нм). По результатам комплексных лабораторных испытаний отобраны наилучшие конструктивные варианты ТПС, проявляющие многократное резистивное переключение.

Для отобранных вариантов ТПС впервые проведен компьютерный расчет количественных характеристик процессов электроформовки / резистивного переключения, который дал значения напряжения переключения и времени переключения (в том числе в наносекундном диапазоне), обеспечивающие достижение высоких требований к заявленным техническим характеристикам создаваемых ЭЭМПРП.

Имитационные испытания лабораторных образцов ТПС проведены на основе результатов компьютерного расчета дефектообразования при облучении протонами (H+) и ионами (Si+, O+, Kr+, Xe2+) средних энергий (до 150 кэВ), которые обеспечивают имитацию воздействия на ТПС соответственно космических протонов (10 МэВ) и быстрых нейтронов (1 МэВ) с флюенсами до 1∙1017 см-2. По результатам испытаний отобраны конструктивные варианты ТПС ЭЭМПРП, отличающиеся типом, составом оксидного материала (ZrO2, HfO2, SiO2) и толщиной оксидного слоя (40 и 60 нм), которые демонстрируют наилучшую стойкость к ионизирующему и дефектообразующему воздействию. Отобранные конструктивные варианты ТПС использованы при проектировании и изготовлении макетов ЭЭМПРП.

Экспериментальные  исследования макетов ЭЭМПРП показали достижение заданных характеристик (число циклов перепрограммирования более 106, время переключения менее 100 нс, рабочее напряжение чтения 3,3 В, рабочее напряжение записи и рабочее напряжение формовки более 3,3 В, диапазон рабочих температур от –60°С до +125°С) для отдельных вариантов ЭЭМПРП. Получена фактическая информация о топологии и структуре макетов ЭЭМПРП и их изменении при формовке и резистивном переключении, определяющем деградацию характеристик исследованных макетов ЭЭМПРП.

Разработаны и реализованы уточненные научно-технологические решения и конструктивные варианты ЭЭМПРП, обеспечивающие улучшение адгезии, пассивации и стабильности резистивного переключения.

Обобщение результатов ПНИ, их сопоставление с результатами ведущих консорциумов (JARA – Jülich-Aachen Research Alliance, МФТИ-Микрон и др.), а также анализ рыночного потенциала разработанных решений позволили сделать вывод о высоком научно-техническом уровне полученных результатов. Сделаны рекомендации по их использованию с учетом повышенных требований к снижению энергопотребления и повышению стабильности ЭЭМПРП. Патентные исследования показали патенто- и конкурентоспособность результатов. Определены технико-экономические показатели, необходимые для разработки ТЗ на ОКР.

На всех стадиях проекта реализуется эффективное взаимодействие с ИП. На базе ИП продемонстрированы работоспособность ТПС ЭЭМПРП в заданных диапазонах температуры и напряжений. Разработана микросхема памяти информационной емкостью 256 Кбит на основе ячеек памяти 4Т2С и технологического процесса КМОП КНИ с проектными нормами 0,35 мкм.

По результатам ПНИ зарегистрированы 2 РИД, опубликованы 6 статей в изданиях WoS и Scopus. Исполнители проекта участвовали в 9 мероприятиях по освещению и популяризации результатов ПНИ.

Практическая значимость исследования
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. НИИИС является оптимальным ИП для реализации данного проекта – это 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 (микросхем 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 МВЦ НИИИС.

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, минимальными затратами на дополнительные исследования при постановке технологии, а также минимальным временем разработки и постановки технологии – до 5 лет.
Постер

Poster_0029.ppt