Исследование и разработка многоуровневых мемристоров на основе SiOx и SiNx для нейроморфных устройств и флэш памяти терабитного масштаба.

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 18-49-08001

НазваниеИсследование и разработка многоуровневых мемристоров на основе SiOx и SiNx для нейроморфных устройств и флэш памяти терабитного масштаба.

Руководитель Володин Владимир Алексеевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук , Новосибирская обл

Конкурс №22 - Конкурс 2017 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (MOST)

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-701 - Электронная элементная база информационных систем

Ключевые слова Мемристор, резистивная память, энергонезависимая память, матрица памяти, оксид кремния SiOx, нитрид кремния SiNx

Код ГРНТИ29.19.33

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В настоящее время движущей силой (наиболее актуальной проблемой) в микроэлектронике является разработка универсальной памяти. Универсальная память сочетает в себе высокое быстродействие и большое число циклов перепрограммирования оперативной памяти, энергонезависимость и высокую информационную ёмкость флэш-памяти и низкую стоимость жёсткого диска. Одним из наиболее перспективных кандидатов на универсальную память является мемристорная (резистивная) память, основанная на обратимом переходе диэлектрической плёнки из высокоомного состояния (high-resistance state - HRS) в низкоомное (low-resistance state - LRS) и обратно при протекании импульса тока. Для разрабатываемой мемристорной памяти характерна энергонезависимость (время хранения информации 10 лет при 125 оС без потребления энергии), высокое быстродействие в режиме перепрограммирования и считывания информации (~1 нсек), малое энергопотребление (~1 фДж), высокая информационная ёмкость (512 Гигабит), большое число циклов перепрограммирования (~10^12), малые габариты, виброустойчивость, совместимость с кремниевой технологией, возможность трёхмерной интеграции. Мемристорная память обладает многоуровневым (мультибитным) переключением. Мультибитное переключение позволяет увеличивать информационную ёмкость матрицы резистивной памяти при фиксированной проектной норме. В качестве элемента резистивной памяти (мемристора) выступает структура металл-диэлектрик-металл (МДМ). В настоящее время, общепринято представление о том, что переход в низкоомное состояние происходит за счёт образования филамента – тонкой проводящей нанопроволоки диаметром 1–10 нм. Малый размер филамента открывает возможности разработки матрицы резистивной памяти с проектной нормой 5 нм, что соответствует памяти терабитного масштаба. Мемристоры имеют два важных перспективных практических применения. Первое применение связано с использованием мемристоров в качестве быстродействующих, энергонезависимых, радиационно-стойких матриц флэш памяти нового поколения. Второе применение мемристоров связано с использованием в качестве активного элемента в нейроморфных когнитивных системах для имитации работы биологического элемента (синапса) при моделировании работы мозга. В настоящее время физика переключения резистивного элемента памяти из низкоомного состояния в высокоомное и обратно является предметом дискуссий и интенсивных исследований. Распространённой гипотезой является представление о том, что переключение резистивной памяти осуществляется за счет электродиффузии вакансий кислорода. Отсутствие ясного понимания физики переключения мемристора сдерживает разработку матриц памяти. Важнейшими параметрами резистивной памяти является время хранения информации и энергопотребление. Отметим, что в США 10% потребляемой электроэнергии приходится на компьютеры. Наличие токов утечки активной среды в RRAM приводит к нежелательному уменьшению времени хранения информации и нежелательному увеличению энергопотребления. В настоящем проекте будут исследоваться и разрабатываться элементы резистивной памяти на основе нанометровых плёнок нестехиометрического оксида SiOx и нитрида SiNx кремния, совместимых с кремниевой технологией. Эти материалы обладают свойством переключаться из высокоомного состояния в низкоомное и обратно при приложении импульса электрического тока. Однако, для применения в качестве активной среды в резистивной памяти запоминающие свойства нестехиометричесих SiOx и SiNx необходимо оптимизировать. Свойства нестехиометрических аморфных SiOx и SiNx определяются величиной параметра x (параметр стехиометрии) и строением (ближним порядком в расположении атомов). При изменении x диапазоне от 0 до 2 ширина запрещённой зоны SiOx изменяется в диапазоне 1.6–8.0 эВ. В SiNx ширина запрещенной зоны, в зависимости от состава, изменяется в диапазоне 1.6–4.6 эВ. Проводимость SiOx и SiNx в зависимости от химического состава изменяется на десятки порядков. В диэлектриках имеются электронные и дырочные ловушки, которые обеспечивают относительно высокие токи утечки. Большие токи утечки в высокоомном и низкоомном состояниях мемристора приводят к нежелательному увеличению энергопотребления в режиме считывания информации. В этой связи требуется оптимизация проводимости диэлектрика активной среды мемристоров на основе SiOx и SiNx. Первой задачей проекта является изучение ближнего порядка в SiOx и SiNx в зависимости от химического состава (стехиометрии). Второй задачей является экспериментальное и теоретическое изучение механизмов проводимости SiOx и SiNx, определение параметров ловушек: термической энергии Wt и оптической энергии Wopt, сечения захвата σ, концентрации дефектов N. Третьей задачей является выявление природы (атомной и электронной структуры) ловушек, ответственных за проводимость SiOx и SiNx. Предположительно в качестве ловушек выступают поливакансии кислорода и азота. Четвертой задачей является выявление природы мультибитных (промежуточных) состояний и механизмов транспорта заряда в промежуточных состояниях SiOx и SiNx. Пятой, прикладной, задачей проекта является оптимизация запоминающих свойств SiOx и SiNx в RRAM в зависимости от химического состава (стехиометрии). В результате решения пяти вышеуказанных задач будут выработаны рекомендации по оптимизации режимов синтеза SiOx и SiNx, с точки зрения оптимизации запоминающих свойств RRAM, изготовлены макеты мемристорных элементов памяти на основе SiOx и SiNx. Все пять научных задач будут решены впервые в мире. В результате решения поставленной задачи впервые будет изучен ближний порядок, идентифицирован механизм транспорта заряда в SiOx, SiNx, определены параметры ловушек (термическая энергия Wt и оптическая энергия Wopt, концентрация N, сечение захвата σ), выявлена атомная природа ловушек в этих материалах. Будет сделан вывод о доминирующем механизме проводимости SiOx, SiNx (эффект Френкеля, многофононный механизм ионизации или фонон облегченное туннелирование). Будут синтезированы мемристорные структуры на основе SiOx и SiNx, будут оптимизированы их запоминающие свойства с точки зрения максимального окна памяти и минимального энергопотребления в режиме перепрограммирования. Поставленные задачи по синтезу, структурным исследованиям, изучению электронной структуры, изучению механизмов проводимости, выявлению природы ловушек, оптимизации запоминающих свойств RRAM могут быть решены авторским коллективом, поскольку имеется технологическое оборудование, аналитическая аппаратура, программное обеспечение и необходимый опыт экспериментальных и теоретических исследований по физике диэлектриков и флэш памяти. В период с 2001 по 2009 годы группа из ИФП СО РАН в рамках контрактов с компанией Samsung Electronics занималась разработкой и исследованиями флэш памяти на основе нитрида кремния Si3N4. Накоплен значительный опыт по разработке флэш памяти, изучению high-κ диэлектриков. Samsung Electronics успешно внедрила флэш память на Si3N4 в серийное производство. В настоящее время такая флэш память занимает 70% мирового рынка. Необходимо отметить, что ожидается большой синергетический эффект при совместных работах с National Chiao Tung University, Taiwan. Участники проекта из ИФП СО РАН обладают большим опытом исследования фундаментальных явлений и механизмов проводимости в диэлектриках, а партнёры из Тайваня изготавливают не просто отдельные элементы памяти, а рекордно большие массивы элементов резистивной памяти. В период 2012-2015 г группой из ИФП СО РАН выполнялись совместные с National Chiao Tung University, Taiwan проекты, посвященные исследованиям мемристоров на основе GeO2, HfO2, TiO2. Опубликовано 7 совместных статей. В группе ИФП имеется 25 патентов по флэш-памяти, в том числе три патента по мемристорам.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. В.А. Володин, В.А. Гриценко, Альберт Чин Local Oscillations of Silicon–Silicon Bonds in Silicon Nitride Письма в Журнал Технической Физики, перевод - Technical Physics Letters, том 44, вып. 10, стр. 37-45, в переводе Vol. 44, No. 5, pp. 424–427. (год публикации - 2018)
10.1134/S1063785018050279

2. В.A. Гриценко, Ю.Н. Новиков, Альберт Чин Short-Range Order and Charge Transport in SiOx: Experiment and Numerical Simulation Письма в Журнал технической Физики (в переводе Technical Physics Letters), Vol. 44, No. 6, pp. 541–544. (год публикации - 2018)
10.1134/S1063785018060196

3. А.А.Карпушин, В.А. Гриценко Electronic Structure of Amorphous SiOx with Variable Composition Письма в ЖЭТФ (в переводе JETP Letters), Vol. 108, No. 2, pp. 127–131 (год публикации - 2018)
10.1134/S0021364018140084

4. В.А. Володин, Г.Н. Камаев, В.Н. Кручинин, В.А. Гриценко Silicon oxides and silicon nitrides: structure, properties and applications in memristors Proceedings of SPIE (год публикации - 2019)

5. В.А. Гриценко, А.А. Гисматулин, А. Чин Multiphonon trap ionization transport in nonstoichiometric SiNx Materials Research Express (год публикации - 2019)

6. А.А. Гисматулин, В.Н. Кручинин, В.А. Гриценко, И.П. Просвирин, Т.Ж. Йен, Альберт Чин Charge transport mechanism of high-resistive state in RRAM based on SiOx Applied Physical Letters, Vol. 114, p. 033503 (5 pages) (год публикации - 2019)
10.1063/1.5074116

7. Т.Ж. Йен, А.А. Гисматулин, В.А. Володин, В.А. Гриценко, Альберт Чин All Nonmetal Resistive Random Access Memory Scientific Reports, vol. 9, p. 6144 (5 pages) (год публикации - 2019)
10.1038/s41598-019-42706-9

8. В.А. Володин, Г.Н. Камаев, В.А. Гриценко, А.А. Гисматулин, А. Чин, М. Вернья Memristor effect in GeO[SiO2] and GeO[SiO] solid alloys films Applied Physical Letters, vol. 114, P. 233104 (5 pages) (год публикации - 2019)
10.1063/1.5079690

9. В.А. Гриценко, А.А. Гисматулин, А.П. Барабан, А. Чин Mechanism of stress induced leakage current in Si3N4 Mater. Res. Express, vol. 6, p. 076401 (6 pages) (год публикации - 2019)
10.1088/2053-1591/ab1223

10. В.А. Гриценко, В.Н. Кручинин, И.П. Просвирин, Ю.Н. Новиков, А. Чин, В.А.Володин. Строение и электронная структура a SiNx:H Журнал Экспериментальной и Теоретической Физики, т.156, н.5, стр.1003-1015 (год публикации - 2019)
10.1134/S0044451019110166

11. Т.В. Перевалов, В.А. Володин, Ю.Н. Новиков, Г.Н. Камаев, В.А. Гриценко, И.П. Просвирин. Наноразмерные флуктуации потенциала в SiOx, синтезированном плазмохимическим осаждением. Физика твердого тела, т.61, вып.12, стр.2528-2535 (год публикации - 2019)
10.21883/FTT.2019.12.48589.552

12. Владимир Володин, Владимир Гриценко, Андрей Гисматулин и Альберт Чин Silicon Nanocrystals and Amorphous Nanoclusters in SiOx and SiNx: Atomic, Electronic Structure, and Memristor Effects IntechOpen, London, UK, Book: “Nanocrystalline Materials”, 23 pages, (2019). IntechOpen, London, UK (год публикации - 2019)
10.5772/intechopen.86508

13. А.А. Гисматулин, В.А. Гриценко, Т.-Дж. Йен, и А. Чин Charge transport mechanism in SiNx-based memristor Appl. Phys. Lett.,, vol. 115, p. 253502 (5 pages), Dec. 2019. (год публикации - 2019)
10.1063/1.5127039

14. Те Джуи Йен, Аьбер Чин и Владимир Гриценко High Performance All Nonmetal SiNx Resistive Random Access Memory with Strong Process Dependence Scientific Reports-Nature, vol. 10, p. 2807 (9 pages) (год публикации - 2020)
10.1038/s41598-020-59838-y

15. Ю.Н. Новиков, В.А. Гриценко Charge transport mechanism and amphoteric nature of traps in amorphous silicon nitride Journal of Non-Crystalline Solids, v. 544, p. 120186 (7 pages) (год публикации - 2020)
10.1016/j.jnoncrysol.2020.120186

16. Андрей А. Гисматулин, Виталий А. Воронковский, Геннадий Н. Камаев, Юрий Н. Новиков, Владимир Н. Кручинин, Григорий К. Кривякин, Владимир А. Гриценко, Игорь П. Просвирин и Альбер Чин Electronic structure and charge transport mechanism in a forming-free SiOx-based memristor Nanotechnology, v. 31 p. 505704 (10pp) (год публикации - 2020)
10.1088/1361-6528/abb505

17. Альберт Чин, Т.Дж. Йен, Я.Д. Чен, С.В. Шин, и В. Гриценко High Mobility Oxide Complementary TFTs for System-on-Display and Three-Dimensional Brain-Mimicking IC Intl Conf. on Display Technology (ICDT) Tech. Dig., Intl Conf. on Display Technology (ICDT) Tech. Dig., Wuhan, China, Oct. 11-14, 2020 (год публикации - 2020)

18. К.Н. Астанкова, В.А. Володин, И.А. Азаров О структуре тонких плёнок монооксида германия Физика и Техника Полупроводников, т.54, н.12, с.1296–1301 (год публикации - 2020)
10.21883/FTP.2020.12.50228.9508a

19. Андрей А. Гисматулин, Геннадий Н. Камаев, Владимир Н. Кручинин, Владимир А. Гриценко, Олег М. Орлов, Альберт Чин. Charge transport mechanism in the forming‑free memristor based on silicon nitride. Scientific Reports (Nature), v. 11, p.2417 (год публикации - 2021)
10.1038/s41598-021-82159-7

Публикации