3D NAND Flash與ReRAM新制程之間的“戰(zhàn)爭”，究竟鹿死誰手

ReRAM代表電阻式RAM，將DRAM的讀寫速度與SSD的非易失性結(jié)合于一身。換句話說，關(guān)閉電源后存儲器仍能記住數(shù)據(jù)。如果ReRAM有足夠大的空間，一臺配備ReRAM的PC將不需要載入時間。

莫斯科物理技術(shù)學(xué)院(MIPT)宣稱成功為ReRAM開發(fā)出新的制程，可望為其實(shí)現(xiàn)適于3D堆疊的薄膜技術(shù)…

可變電阻式隨機(jī)存取記憶體(ReRAM)是一種可望取代其他各種儲存類型的“通用”記憶體，不僅提供了隨機(jī)存取記憶體(RAM)的速度，又兼具快閃記憶體( flash)的密度與非揮發(fā)性。然而，目前，flash由于搶先進(jìn)入3D時代而較ReRAM更勝一籌。

如今，莫斯科物理技術(shù)學(xué)院(Moscow Institute of Physics and Technology;MIPT)的研究人員已成功為ReRAM開發(fā)出新的制程，可望為其實(shí)現(xiàn)適于3D堆疊的薄膜技術(shù)。

ReRAM的研發(fā)一般采用憶阻器進(jìn)行，其中，在介電層中遷移的氧空缺(oxygen vacancy)，將電介質(zhì)的電阻改變?yōu)?lsquo;1‘與‘0‘。除了MIPT，還有來自4DS Memory Ltd.、Crossbar Inc.、HP Inc.、Knowm Inc.以及美國德州萊斯大學(xué)(Rice University)的研究人員們也為ReRAM創(chuàng)造了原型。

針對3D ReRAM，MIPT科學(xué)家Konstantin Egorov表示，“我們不僅需要在介電層中形成氧空缺，還必須為其進(jìn)行檢測”。為此，MIPT的研究人員們采用的方法是，在出現(xiàn)氧空缺的介電層中，觀察其能隙中的電子狀態(tài)。

Egorov說：“為了研究在氧化鉭薄膜生長過程中形成的氧空缺，我們使用了一種整合生長PEALD(電漿輔助原子層沉積)和分析XPS(X射線光電子能譜儀)腔室(以真空管相互連接)的實(shí)驗叢集。該叢集讓我們能生長和研究沉積層，而不至于破壞真空狀態(tài)。”

他強(qiáng)調(diào)，“這一點(diǎn)非常重要，因為一旦從真空中取出實(shí)驗樣本，介電質(zhì)的奈米層就會在其表面上氧化，導(dǎo)致氧空缺的消失。”

用于生長和研究薄膜的實(shí)驗叢集，可在真空狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)3D堆疊

任何半導(dǎo)體研究實(shí)驗室都可以建構(gòu)這種獨(dú)特的原子層沉積(ALD)叢集，其方式是連接PEALD和XPS腔室，然后再添加自動操縱器，在腔室之間傳輸晶圓。除了樣本測試晶圓以外，在大量生產(chǎn)時并不需要這種叢集。然而，必須建立一條的的組裝線，以補(bǔ)償ALD薄膜緩慢的生長速度。

如果這些研究取得成功，MIPT聲稱所產(chǎn)生的ReRAM就可以垂直堆疊，成就一種可克服3D flash限制的通用記憶體;目前，3D flash僅限于64層。

與沉積氧空缺氧化鉭薄膜有關(guān)的化學(xué)反應(yīng)階段(左)，以及透過X射線光電子能譜儀進(jìn)行分析的結(jié)果(右)

雖然ALD的生長緩慢，但它能實(shí)現(xiàn)3D結(jié)構(gòu)的共形涂層，取代MIPT和其他研究實(shí)驗室迄今所使用的奈米薄膜沉積技術(shù)。其關(guān)鍵的區(qū)別在于ALD依次將基底暴露于前體材料和反應(yīng)物材料，并且取決于二者之間的化學(xué)反應(yīng)以產(chǎn)生主動層。

MIPT的技術(shù)還使用連接至金屬前體的化學(xué)分子配體，以便加速化學(xué)反應(yīng)，但在用于元件的主動層之前必須先移除這種配體。

MIPT首席研究員Andrey Markeev說：“沉積缺氧薄膜需要找到正確的反應(yīng)物，才能移除金屬前體中所含的配體，并且控制涂層的氧含量。因此，在經(jīng)過多次實(shí)驗后，我們成功地使用含氧的鉭前體，以及電漿激發(fā)的氫反應(yīng)物。”

MIPT研究人員Dmitry Kuzmichev、Konstantin Egorov、Andrey Markeev和Yury Lebedinskiy，及其背后的原子層沉積機(jī)器

接下來，研究人員打算為這一流程進(jìn)行最佳化，并提高ALD的速度，從而為3D ReRAM實(shí)現(xiàn)大量生產(chǎn)。

MIPT的研究資金是由俄羅斯科學(xué)基金會(RSF)和MIPT共同提供。這項研究細(xì)節(jié)已發(fā)表于《ACS應(yīng)用材料和介面》(ACS Applied Materials & Interfaces)期刊的“以電漿輔助原子層沉積控制TaOx薄膜的氧空缺，實(shí)現(xiàn)可變電阻式切換的記憶體應(yīng)用”一文中。