Федеральная целевая программа

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>