ReRAM即将进入3D时代？

可变电阻式随机存取内存(ReRAM)是一种可望取代其他各种储存类型的“通用”内存，不仅提供了随机存取内存(RAM)的速度，又兼具闪存(flash)的密度与非挥发性。然而，目前，flash由于抢先进入3D时代而较ReRAM更胜一筹。

如今，莫斯科物理技术学院(Moscow Institute of Physics and Technology；MIPT)的研究人员已成功为ReRAM开发出新的工艺，可望为其实现适于3D堆栈的薄膜技术。

ReRAM的研发一般采用忆阻器进行，其中，在介电层中迁移的氧空缺(oxygen vacancy)，将电介质的电阻改变为‘1’与‘0’。除了MIPT，还有来自4DS Memory Ltd.、Crossbar Inc.、HP Inc.、Knowm Inc.以及美国德州莱斯大学(Rice University)的研究人员们也为ReRAM创造了原型。

针对3D ReRAM，MIPT科学家Konstantin Egorov表示，“我们不仅需要在介电层中形成氧空缺，还必须为其进行检测”。为此，MIPT的研究人员们采用的方法是，在出现氧空缺的介电层中，观察其能隙中的电子状态。

Egorov说：“为了研究在氧化钽薄膜生长过程中形成的氧空缺，我们使用了一种整合生长PEALD[电浆辅助原子层沉积]和分析XPS(X射线光电子能谱仪)腔室(以真空管相互连接)的实验丛集。该丛集让我们能生长和研究沉积层，而不至于破坏真空状态。”

他强调，“这一点非常重要，因为一旦从真空中取出实验样本，介电质的纳米层就会在其表面上氧化，导致氧空缺的消失。”

用于生长和研究薄膜的实验丛集，可在真空状态下实现3D堆栈 （来源：MIPT）

任何半导体研究实验室都可以建构这种独特的原子层沉积(ALD)丛集，其方式是连接PEALD和XPS腔室，然后再添加自动操纵器，在腔室之间传输晶圆。除了样本测试晶圆以外，在大量生产时并不需要这种丛集。然而，必须建立一条的的组装线，以补偿ALD薄膜缓慢的生长速度。

如果这些研究取得成功，MIPT声称所产生的ReRAM就可以垂直堆栈，成就一种可克服3D flash限制的通用内存；目前，3D flash仅限于64层。

与沉积氧空缺氧化钽薄膜有关的化学反应阶段(左)，以及透过X射线光电子能谱仪进行分析的结果(右)。 （来源：MIPT）

虽然ALD的生长缓慢，但它能实现3D结构的共形涂层，取代MIPT和其他研究实验室迄今所使用的纳米薄膜沉积技术。其关键的区别在于ALD依次将基底暴露于前体材料和反应物材料，并且取决于二者之间的化学反应以产生主动层。MIPT的技术还使用连接至金属前体的化学分子配体，以便加速化学反应，但在用于组件的主动层之前必须先移除这种配体。

MIPT首席研究员Andrey Markeev说：“沉积缺氧薄膜需要找到正确的反应物，才能移除金属前体中所含的配体，并且控制涂层的氧含量。因此，在经过多次实验后，我们成功地使用含氧的钽前体，以及电浆激发的氢反应物。”

MIPT研究人员Dmitry Kuzmichev、Konstantin Egorov、Andrey Markeev和Yury Lebedinskiy，及其背后的原子层沉积机器。（来源：MIPT）

接下来，研究人员打算为这一流程进行优化，并提高ALD的速度，从而为3D ReRAM实现大量生产。

MIPT的研究资金是由俄罗斯科学基金会(RSF)和MIPT共同提供。这项研究细节已发表于《ACS应用材料和界面》(ACS Applied Materials & Interfaces)期刊的“以电浆辅助原子层沉积控制TaOx薄膜的氧空缺，实现可变电阻式切换的内存应用”(In Situ Control of Oxygen Vacancies in TaOx Thin Films via Plasma-Enhanced Atomic Layer Deposition for Resistive Switching Memory Applications)一文中。

编译：Susan Hong

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