可變電阻式隨機存取記憶體(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)的密度與非揮發性。然而,目前,flash由於搶先進入3D時代而較ReRAM更勝一籌。

如今,莫斯科物理技術學院(Moscow Institute of Physics and Technology;MIPT)的研究人員已成功為ReRAM開發出新的製程,可望為其實現適於3D堆疊的薄膜技術。

ReRAM的研發一般採用憶阻器進行,其中,在介電層中遷移的氧空缺(oxygen vacancy),將電介質的電阻改變為‘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(Rice University)的研究人員們也為ReRAM創造了原型。

針對3D ReRAM,MIPT科學家Konstantin Egorov表示,「我們不僅需要在介電層中形成氧空缺,還必須為其進行檢測」。為此,MIPT的研究人員們採用的方法是,在出現氧空缺的介電層中,觀察其能隙中的電子狀態

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)的實驗叢集。該叢集讓我們能生長和研究沉積層,而不至於破壞真空狀態。」

他強調,「這一點非常重要,因為一旦從真空中取出實驗樣本,介電質的奈米層就會在其表面上氧化,導致氧空缺的消失。」

20170703_MIPT_NT01P1 用於生長和研究薄膜的實驗叢集,可在真空狀態下實現3D堆疊 (來源:MIPT)

任何半導體研究實驗室都可以建構這種獨特的原子層沉積(ALD)叢集,其方式是連接PEALD和XPS腔室,然後再添加自動操縱器,在腔室之間傳輸晶圓。除了樣本測試晶圓以外,在大量生產時並不需要這種叢集。然而,必須建立一條的的組裝線,以補償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僅限於64層。

20170703_MIPT_NT01P2 與沉積氧空缺氧化鉭薄膜有關的化學反應階段(左),以及透過X射線光電子能譜儀進行分析的結果(右)。 (來源:MIPT)

雖然ALD的生長緩慢,但它能實現3D結構的共形塗層,取代MIPT和其他研究實驗室迄今所使用的奈米薄膜沉積技術。其關鍵的區別在於ALD依次將基底暴露於前體材料和反應物材料,並且取決於二者之間的化學反應以產生主動層。MIPT的技術還使用連接至金屬前體的化學分子配體,以便加速化學反應,但在用於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物,才能移除金屬前體中所含的配體,並且控制塗層的氧含量。因此,在經過多次實驗後,我們成功地使用含氧的鉭前體,以及電漿激發的氫反應物。」

20170703_MIPT_NT01P3 MIPT研究人員Dmitry Kuzmichev、Konstantin Egorov、Andrey Markeev和Yury Lebedinskiy,及其背後的原子層沉積機器。(來源:MIPT)

接下來,研究人員打算為這一流程進行最佳化,並提高ALD的速度,從而為3D ReRAM實現大量生產。

MIPT的研究資金是由俄羅斯科學基金會(RSF)和MIPT共同提供。這項研究細節已發表於《ACS應用材料和介面》(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,實現可變電阻式切換的記憶體應用」(In Situ Control of Oxygen Vacancies in TaOx Thin Films via Plasma-Enhanced Atomic Layer Deposition for Resistive Switching Memory Applications)一文中。

編譯:Susan Hong

(參考原文:ReRAM Goes 3D,by R. Colin Johnson)