14.575.21.0027 <Номер постера> Федеральная целевая программа «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014—2020 годы» Информационно-телекоммуникационные системы Тема: «Разработка элементов энергонезависимой памяти топологии IT-IR на основе эффекта резистивного переключения в тонких слоях оксидов переходных металлов» Руководитель проекта: зав. лаб., к.ф.-м.н., А.В. Зенкевич Соглашение № 14.575.21.0027 на период 2014 - 2016 гг. Получатель субсидии: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский физико-технический институт (государственный университет)» Цели и задачи проекта Цель проекта: Создание комплекса научно-технических решений для реализации энергонезависимой памяти на основе эффекта обратимого резистивного переключения (resistive random access memory, ReRAM) топологии 1T-1R при размещении запоминающих ячеек в слоях металлизации. Задачи проекта: Поиск и разработка технологических решений по созданию функциональных элементов энергонезависимой памяти с использованием эффекта обратимого резистивного переключения (ReRAM) в тонкопленочных МИМ-структурах на основе оксидов переходных металлов, интеграция запоминающих ячеек и реализация устройств памяти топологии 1T-1R (один коммутирующий транзистор - один резистор с управляемым сопротивлением на основе МИМ-структур) путем их размещения в слоях металлизации КМОП-микросхем. Актуальность проекта: Проведение прикладных научных исследований по данной тематике необходимо для создания альтернативной отечественной технологии производства энергонезависимой памяти, существенно превосходящей доминирующую в настоящее время на рынке «флэш»-память по быстродействию и максимально возможному количеству циклов перезаписи информации. Ожидаемые результаты проекта 1. Технологические решения по созданию функциональных элементов энергонезависимой памяти на основе эффекта обратимого резистивного переключения (ReRAM) при размещении запоминающих ячеек в слоях металлизации топологии 1T-1R. Требования к техническим характеристикам экспериментальных образцов функциональных элементов энергонезависимой памяти с резистивным переключением: 2. Схемотехнические решения по сопряжению резистивных элементов и коммутирующих транзисторов. - напряжение д/переключения в низкоомное состояние Ron 3. Предложения и рекомендации по практическому применению /коммерциализации результатов ПНИ. 4. Лабораторный технологический регламент синтеза функциональных элементов энергонезависимой памяти на основе тонкопленочных МИМ-структур. 5. Проект технического задания на проведение ОТР по теме: «Создание технологии производства энергонезависимой памяти на основе эффекта обратимого резистивного переключения». от 1 В до 5 В; - напряжение д/переключения в высокоомное состояние Roff от -1 до - 5 В; - напряжение при чтении от - 0,5 до 0,5 В; - время перезаписи, с 10-7 с; - число циклов перезаписи более 105; - 5; Roff/Ron , не менее - время хранения состояния не менее 10 лет Перспективы практического использования 1. Результаты разработки научно-технических решений и технологических основ для создания альтернативных устройств энергонезависимой памяти с характеристиками, превосходящими по важным параметрам существующие в настоящее время на рынке образцы (Флэш) позволит оценить возможность коммерциализации разрабатываемой технологии. 2. В случае возможности коммерциалиазции- передача (продажа) разработанных технологических регламентов создания функциональных структур ReRAM с применением материалов, совместимых с кремниевой КМОП-технологией в научно-исследовательские и производственные организации, занимающиеся разработками в области микро- и наноэлектроники. 3. Разработки в области альтернативных конкурентоспособных устройств энергонезависимой памяти востребованы на рынке высокотехнологической продукции РФ и должны быть востребованы в рамках программ импортозамещения в стратегических отраслях экономики. Результаты выполнения ПНИР в 2015 г. Полученные результаты исследовательской работы в 2015 году: 1. Разработана эмпирическая модель поведения резистивных элементов ячеек ReRAM для симулятора электронных схем общего назначения (SPICE-модель) 2. Разработано схемотехническое решение по сопряжению резистивных элементов и коммутирующих транзисторов для формирования дискретных ячеек памяти 1Т-1R. 3. Разработана конструкция и топология ячейки памяти 1T-1R. 4. Изготовлены лабораторные образцы ReRAM, содержащие дискретные элементы памяти с топологией 1T-1R. 5. Разработана программа и методика проведения экспериментальных исследований лабораторных образцов ReRAM, содержащих дискретные ячейки памяти топологии 1T-1R. 6. Проведены экспериментальные исследования параметров лабораторных образцов памяти ReRAM, содержащих дискретные ячейки памяти топологии 1T-1R. 7. Разработано схемотехническое решение по сопряжению резистивных элементов и коммутирующих транзисторов для формирования матрицы ячеек памяти 1Т-1R. Flash (NAND, NOR) (флеш - электрически перепрограммируемая память) • 106 циклов • 0.1 мкс – 1 мс • > 10 В (для перезаписи) FeRAM (сегнетоэлектрическая память с произвольной выборкой) • • • • MRAM (магнитная память с произвольной выборкой) • > 1015 циклов • < 20 нс • 2-3 В • необходимы большие токи для записи ? PC-RAM (память на основе изменения фазового состояния с произвольной выборкой) • • • • Параметры 8. Разработана конструкция и топология матрицы ячеек памяти 1T-1R. RON I, A Достигнуто Напряжение при переключении в низкоомное состояние: 1 В…5 В; 1,5 В Напряжение при переключении в высокоомное состояние: -1 В…-5 В; -2В -0,5 В…0,5 В; - 0,1 В 100 нс ≤ 90 нс 100 000 раз 100 000 раз 5 10 - 30 Напряжение при чтении: Число циклов перезаписи, более: Отношение сопротивлений в высокоомном и низкоомном состояниях, не менее Схематическое изображение стека устройства памяти 1T-1R Изображение РЭМ изготовленной функциональной структуры ячейки 1Т-1R. Чип с ячейками ReRAM, установленный в зондовую станцию для проведения испытаний. 3-20 нс 2-3 В масштабируемость 5 нм энергия переключения? Требования Т3 Время перезаписи, не более: ROFF > 1015 циклов < 20 нс 2-3 В масштабируемость? U, В Типичные вольт-амперные характеристики ячейки ReRAM на основе Pt/HfO2/TiN Партнеры проекта Индустриальный партнёр проекта ОАО «НИИМЭ и Микрон» - финансовая поддержка выполнения исследовательских работ (внебюджетное финансирование). На производственной базе ОАО «НИИМЭ и Микрон» были разработаны и изготовлены на кремниевой пластине диаметром 200 мм чипы, содержащие единичные МОП-транзисторы, контакты к терминалам которых были выведены на последний изготовленный слой – слой локальных межсоединений, для последующего формирования на них функциональных элементов энергонезависимой памяти ReRAM. 14.575.21.0027 <Номер постера>