Жаңа буынды нано-жад технологиясы

Кіріспе

Жаңа компьютерлік жад түрі

Nano RAM – Nantero компаниясының өнімдік компьютерлік жад технологиясы. Бұл – чип сияқты негізге орналастырылған көміртек нанотүтікшелерінің орналасуына негізделген, қуаты өшкен кезде де сақталатын кездейсоқ кіру жадының бір түрі. Теория бойынша, нанотүтікшелердің кішкентай өлшемі өте жоғары тығыздықпен жадты сақтауға мүмкіндік береді. Nantero оны NRAM деп те атайды.

Технология

Nantero NRAM технологиясының бірінші буыны үш терминалды жартылай өткізгіш құрылғысына негізделген, онда үшінші терминал жад жасушасын жад күйлері арасында ауыстыру үшін қолданылады. NRAM технологиясының екінші буыны екі терминалды жад жасушасына негізделген. Екі терминалды жасушаның артықшылықтары – жасушаның кішірек мөлшері, 20 нм-ден төмен түйіндерге жақсы масштабталуы (жартылай өткізгіш құрылғысын жасауды қараңыз) және жасушаны жасау кезінде пассивтеу мүмкіндігі. Көміртекті нанотүтікшелердің (КНТ) тоқылмаған матрицасында қиылысқан нанотүтікшелер орналасуына байланысты бір-біріне жанасуы немесе сәл бөлек болуы мүмкін. Нанотүтікшелер жанасқанда Ван-дер-Ваальс күштерімен бірге ұсталып тұрады. Әрбір NRAM "жасушасы" 1-суретте көрсетілгендей екі электрод арасында орналасқан КНТ-нің өзара байланысты желісінен тұрады. КНТ матасы екі металл электрод арасында орналасқан, фотолитографиялық әдіспен анықталып, ойылып жасалады және NRAM жасушасын құрайды. NRAM резистивті, ұшпалы, кездейсоқ сұраныс жады (RAM) ретінде әрекет етеді және КНТ матасының резистивті күйіне байланысты екі немесе одан көп резистивті режимдерге орналастырылуы мүмкін. КНТ жанаспағанда матаның кедергісі жоғары болады және "өшірілген" немесе "0" күйін көрсетеді. КНТ жанасқанда матаның кедергісі төмен болады және "қосылған" немесе "1" күйін көрсетеді. NRAM жад ретінде әрекет етеді, себебі екі резистивті күй өте тұрақты. "0" күйінде КНТ (немесе олардың бөлігі) жанаспайды және КНТ-нің қатаңдығы салдарынан жоғары және төменгі электродтар арасындағы кедергі жоғары немесе ток өлшемі төмен болады. "1" күйінде КНТ (немесе олардың бөлігі) жанасады және Ван-дер-Ваальс күштерінің әсерінен жанасқан күйде қалады, нәтижесінде жоғары және төменгі электродтар арасындағы кедергі төмен немесе ток өлшемі жоғары болады. Электрод пен КНТ арасындағы контактілік кедергі сияқты басқа да кедергілер маңызды болуы мүмкін және оларды да ескеру қажет. NRAM-ді күйлер арасында ауыстыру үшін жоғарғы және төменгі электродтар арасында оқу кернеуінен жоғары шағын кернеу қолданылады. Егер NRAM "0" күйінде болса, қолданылатын кернеу жақын орналасқан КНТ арасында электростатикалық тартылыс тудырып, SET операциясын іске қосады. Кернеу алынғаннан кейін КНТ физикалық жабысу (Ван-дер-Ваальс күші) салдарынан шамамен 5эВ белсенділік энергиясымен "1" немесе төмен кедергі күйінде қалады. Егер NRAM жасушасы "1" күйінде болса, оқу кернеуінен жоғары кернеу қолдану КНТ тораптарын бөлу үшін жеткілікті энергиямен КНТ фонондық қозуларын тудырады. Бұл фонондық RESET операциясы. КНТ жоғары механикалық қатаңдығына (Янг модулі 1 ТПа) байланысты 5эВ-тан әлдеқайда жоғары белсенділік энергиясымен "өшірілген" немесе жоғары кедергі күйінде қалады. 2-сурет коммутациялық операцияға қатысатын жеке КНТ жұптарының екі күйін көрсетеді. Күйлер арасында ауысу үшін қажетті жоғары белсенділік энергиясы (> 5эВ) NRAM коммутаторын сәулелену және жұмыс температурасы сияқты сыртқы кедергілерге, DRAM сияқты дәстүрлі жадтарды өшіретін немесе бұратын кедергілерге төтеп беруге мүмкіндік береді. NRAM-дер 1-суретте көрсетілгендей, транзисторлар сияқты алдын ала құрастырылған драйверлер массивіне КНТ-нің біркелкі қабатын жағу арқылы жасалады. NRAM жасушасының төменгі электроды жасушаны драйверге қосатын (электроника) негізгі жолмен байланыста болады. Төменгі электродты астындағы жолдың бөлігі ретінде немесе NRAM жасушасымен бір мезгілде, фотолитографиялық әдіспен анықталып, ойылып жасалған кезде жасауға болады. Жасуша фотолитографиялық әдіспен анықталғаннан және ойылып жасалғаннан кейін жоғарғы электрод КНТ қабатына металл пленка ретінде жабылады, осылайша жоғарғы металл электрод NRAM жасушасын анықтау кезінде үлгіленеді және ойылып жасалады. Диэлектрлік пассивтену мен массивті толтырудан кейін жоғарғы металл электрод химиялық-механикалық жазықтау сияқты тегістеу процесін қолдана отырып, үстіндегі диэлектрді қайта өңдеу арқылы ашылады. Жоғарғы электрод ашылғаннан кейін NRAM массивін аяқтау үшін металл сымдардың келесі деңгейі жасалады. 3-сурет жазу және оқу үшін бір жасушаны таңдау үшін схемалық әдістің бірін көрсетеді. Кросс-сеткалық өзара байланыс қолданылғанда NRAM және драйвер (жасуша) басқа жад массивтеріне ұқсас жад массивін құрайды. Бір жасушаны сөз сызығына (WL), бит сызығына (BL) және таңдау сызықтарына (SL) тиісті кернеулерді қолдану арқылы таңдауға болады, массивтегі басқа жасушаларға кедергі келтірмей. Балама ретінде, төменгі электрод пен жоғарғы металл қабат арасында екі КНТ қабаты болуы мүмкін: біреуі біркелкі орналасқан КНТ, екіншісі кездейсоқ орналасқан КНТ. Біркелкі орналасқан КНТ кездейсоқ орналасқан КНТ-ні жоғарғы металл қабаттан қорғау үшін қолданылады.

The first generation Nantero NRAM technology was based on a three terminal semiconductor device where a third terminal is used to switch the memory cell between memory states. The second generation NRAM technology is based on a two terminal memory cell. The two terminal cell has advantages such as a smaller cell size, better scalability to sub 20 nm nodes (see semiconductor device fabrication), and the ability to passivate the memory cell during fabrication. In a non woven fabric matrix of carbon nanotubes (CNTs), crossed nanotubes can either be touching or slightly separated depending on their position. When touching, the carbon nanotubes are held together by Van der Waals forces. Each NRAM "cell" consists of an interlinked network of CNTs located between two electrodes as illustrated in Figure 1. The CNT fabric is located between two metal electrodes, which is defined and etched by photolithography, and forms the NRAM cell. The NRAM acts as a resistive non volatile random access memory (RAM) and can be placed in two or more resistive modes depending on the resistive state of the CNT fabric. When the CNTs are not in contact the resistance state of the fabric is high and represents an "off" or "0" state. When the CNTs are brought into contact, the resistance state of the fabric is low and represents an "on" or "1" state. NRAM acts as a memory because the two resistive states are very stable. In the 0 state, the CNTs (or a portion of them) are not in contact and remain in a separated state due to the stiffness of the CNTs resulting in a high resistance or low current measurement state between the top and bottom electrodes. In the 1 state, the CNTs (or a portion of them) are in contact and remain contacted due to Van der Waals forces between the CNTs, resulting in a low resistance or high current measurement state between the top and bottom electrodes. Note that other sources of resistance such as contact resistance between electrode and CNT can be significant and also need to be considered. To switch the NRAM between states, a small voltage greater than the read voltage is applied between top and bottom electrodes. If the NRAM is in the 0 state, the voltage applied will cause an electrostatic attraction between the CNTs close to each other causing a SET operation. After the applied voltage is removed, the CNTs remain in a 1 or low resistance state due to physical adhesion (Van der Waals force) with an activation energy (Ea) of approximately 5eV. If the NRAM cell is in the 1 state, applying a voltage greater than the read voltage will generate CNT phonon excitations with sufficient energy to separate the CNT junctions. This is the phonon driven RESET operation. The CNTs remain in the OFF or high resistance state due to the high mechanical stiffness (Young's Modulus 1 TPa) with an activation energy (Ea) much greater than 5 eV. Figure 2 illustrates both states of an individual pair of CNTs involved in the switch operation. Due to the high activation energy (> 5eV) required for switching between states, the NRAM switch resists outside interference like radiation and operating temperature that can erase or flip conventional memories like DRAM. NRAMs are fabricated by depositing a uniform layer of CNTs onto a prefabricated array of drivers such as transistors as shown in Figure 1. The bottom electrode of the NRAM cell is in contact with the underlying via (electronics) connecting the cell to the driver. The bottom electrode may be fabricated as part of the underlying via or it may be fabricated simultaneously with the NRAM cell, when the cell is photolithographically defined and etched. Before the cell is photolithographically defined and etched, the top electrode is deposited as a metal film onto the CNT layer so that the top metal electrode is patterned and etched during the definition of the NRAM cell. Following the dielectric passivation and fill of the array, the top metal electrode is exposed by etching back the overlying dielectric using a smoothing process such as chemical mechanical planarization. With the top electrode exposed, the next level of metal wiring interconnect is fabricated to complete the NRAM array. Figure 3 illustrates one circuit method to select a single cell for writing and reading. Using a cross grid interconnect arrangement, the NRAM and driver, (the cell), forms a memory array similar to other memory arrays. A single cell can be selected by applying the proper voltages to the word line (WL), bit line (BL), and select lines (SL) without disturbing the other cells in the array. Alternatively between the bottom electrode and top metal layer they may be two layers of CNTs: one with uniformly arranged CNTs, and another with randomly arranged CNTs. The uniformly arranged CNTs are used to protect the randomly arranged CNTs from the top metal layer.

Сипаттамалары

NRAM-ның тығыздығы, кем дегенде теориялық тұрғыдан, DRAM-ға ұқсас. DRAM құрамында конденсаторлар болады, олар негізінен арасында жұқа изолятор орналасқан екі кішкентай металл пластинадан тұрады. NRAM терминалдары мен электродтары DRAM-дағы пластиналардың шамамен бірдей өлшемде болады, ал олардың арасындағы нанотүтіктер соншалықты кішкентай болғандықтан, жалпы өлшемге ешқандай қосымша көлем қосбайды. Дегенмен, DRAM-ның құрастырылуы мүмкін ең төменгі өлшем бар сияқты, одан асып кетсе пластиналарда жеткілікті заряд сақтау мүмкін болмайды. NRAM тек литографиямен ғана шектеледі. Бұл NRAM DRAM-дан әлдеқайда тығыз болуы мүмкін екенін білдіреді, сонымен қатар, мүмкін, арзан да шығар. DRAM-нан айырмашылығы, NRAM жадысын "жаңарту" үшін қуат қажет етпейді және қуатты тоқтатқаннан кейін де жадын сақтай алады. Осылайша, құрылғының жад күйін жазу және сақтау үшін қажетті қуат DRAM-ға қарағанда әлдеқайда аз, себебі DRAM жасуша пластиналарына заряд жинау керек. Бұл NRAM құн жағынан DRAM-мен бәсекелесе алады, сонымен қатар аз қуатты қажет етеді, нәтижесінде жазу жылдамдығы қажетті жалпы заряд мөлшерімен анықталатындықтан, ол әлдеқайда жылдам болуы мүмкін. NRAM теориялық тұрғыдан SRAM сияқты өнімділікке жете алады, ол DRAM-дан жылдам, бірақ тығыздығы әлдеқайда төмен, сондықтан әлдеқайда қымбат.

Басқа ұшпалы емес жадымен салыстыру

NRAM басқа ұшпайтын кездейсоқ сәйкес жад (NVRAM) технологияларымен салыстырғанда бірнеше артықшылықтары бар. Флэш-жадта, NVRAM-ның жалпы түрі, әрбір жасуша MOSFET транзисторына ұқсайды, оның басқару шлюзі (CG) CG мен FG арасында орналасқан жүзуші шлюз (FG) арқылы реттеледі. FG оқшаулағыш диэлектрикпен, әдетте оксидпен қоршалған. FG қоршаған диэлектрикпен электрлік түрде оқшауланғандықтан, FG-ге орналастырылған кез келген электрон FG-де тұрақты болады, ол CG-ді транзистордың арнасынан қорғайды және транзистордың шекті кернеуін (VT) өзгертеді. FG-ге салынған зарядтың мөлшерін жазып, басқару арқылы FG таңдалған жасушаның VT-на байланысты MOSFET жапқыштық құрылғысының өткізгіштік күйін басқарады. MOSFET арнасы арқылы ағып жатқан ток жасушаның күйін анықтау үшін сезіледі, бұл бинарлық кодты құрайды, онда 1 күй (ток ағыны) тиісті CG кернеуі қолданылғанда және 0 күй (ток ағыны жоқ) CG кернеуі қолданылғанда. Жазудан кейін оқшаулағыш FG-дегі электрондарды тұтқындап, 0 күйіне бекітеді. Алайда, бұл битті өзгерту үшін изоляторды "артық зарядтау" керек, бұл оның ішінде сақталған зарядты жою үшін қажет. Бұл үшін жоғары кернеу қажет, шамамен 10 вольт, батареядан әлдеқайда көп. Флэш жүйелері "зарядты сорғыны" қамтиды, ол біртіндеп қуатты жинақтап, оны жоғары кернеуде босатады. Бұл процесс ғана емес, сонымен қатар изоляторларды тоздырады. Осы себепті флэш құрылғы тиімді жұмыс істеместен бұрын шектеулі жазу санына ие. NRAM оқу және жазу операциялары флэшпен (немесе DRAM үшін "жаңарту") салыстырғанда "төмен энергияны" қажет етеді, яғни NRAM батареяның қызмет ету мерзімін ұзартуы мүмкін. Ол жазу үшін де әлдеқайда жылдам болуы мүмкін, яғни екеуін де алмастыруға болады. Қазіргі заманғы телефондар телефон нөмірлерін сақтау үшін флэш-жады, жұмыс жадының жоғары өнімділігі үшін DRAM және тіпті жоғары өнімділік үшін кейбір SRAM-ды қамтиды. Кейбір NRAM процессорда (CPU) процессор кэші ретінде орналастырылуы мүмкін, ал қалғаны DRAM және флэшті алмастыратын басқа микросхемаларда. NRAM – бұл жаңа жад жүйелерінің бірі, олардың көптегені NRAM сияқты "әмбебап" екенін мәлімдейді – флэштен DRAM-ға және SRAM-ға дейін барлығын алмастырады. Қолдануға дайын балама жад – ферроэлектрлік RAM (FRAM немесе FeRAM). FeRAM DRAM жасушасына аз мөлшерде ферроэлектрлік материал қосады. Материалдағы өрістің күйі битті бұзбайтын форматта кодтайды. FeRAM NRAM-ның артықшылықтарына ие, бірақ ең кішкентай жасуша мөлшері NRAM-ға қарағанда әлдеқайда үлкен. FeRAM флэштің жазу саны шектеулі болған жағдайларда қолданылады. FeRAM оқу операциялары бұзылатын, сондықтан кейін жазу операциясын қалпына келтіру қажет. Басқа да болжамды жад жүйелеріне магниттік кедергілі кездейсоқ сәйкес жад (MRAM) және фазалық өзгерістер жады (PRAM) жатады. MRAM магниттік туннельдік қосылыстардың желісіне негізделген. MRAM жадты туннельдік магниттік кедергі әсерін пайдалана отырып оқиды, бұл жадты бұзбай және өте аз қуатпен оқуға мүмкіндік береді. Ертедегі MRAM өріспен шақырылған жазуды қолданды, оның мөлшері шектеулі болды, бұл оны флэш құрылғыларынан әлдеқайда үлкен етіп қалдырды. Алайда, жаңа MRAM техникалары MRAM-ды флэш-жадпен бәсекелесуге мүмкіндік беру үшін мөлшерлік шектеуді жеңе алады. Бұл техникалар – Crocus Technology әзірлеген Термиялық көмекпен ауыстыру (TAS) және 2009 жылы Crocus, Hynix, IBM және басқа компаниялар жұмыс істеп тұрған спиндік айналымдық момент. PRAM жазуға болатын CD немесе DVD-ге ұқсас технологияға негізделген, оптикалық емес, магниттік немесе электрлік қасиеттерін өзгертетін фазалық өзгерістер материалы қолданылады. PRAM материалының өзі масштабталады, бірақ үлкен ток көзі қажет.

Compared with other non volatile random access memory (NVRAM) technologies, NRAM has several advantages. In flash memory, the common form of NVRAM, each cell resembles a MOSFET transistor with a control gate (CG) modulated by a floating gate (FG) interposed between the CG and the FG. The FG is surrounded by an insulating dielectric, typically an oxide. Since the FG is electrically isolated by the surrounding dielectric, any electrons placed on the FG will be trapped on the FG which screens the CG from the channel of the transistor and modifies the threshold voltage (VT) of the transistor. By writing and controlling the amount of charge placed on the FG, the FG controls the conduction state of the MOSFET flash device depending on the VT of the cell selected. The current flowing through the MOSFET channel is sensed to determine the state of the cell forming a binary code where a 1 state (current flow) when an appropriate CG voltage is applied and a 0 state (no current flow) when the CG voltage is applied. After being written to, the insulator traps electrons on the FG, locking it into the 0 state. However, in order to change that bit, the insulator has to be "overcharged" to erase any charge already stored in it. This requires higher voltage, about 10 volts, much more than a battery can provide. Flash systems include a "charge pump" that slowly builds up power and releases it at higher voltage. This process is not only slow, but degrades the insulators. For this reason flash has a limited number of writes before the device will no longer operate effectively. NRAM reads and writes are both "low energy" in comparison to flash (or DRAM for that matter due to "refresh"), meaning NRAM could have longer battery life. It may also be much faster to write than either, meaning it may be used to replace both. Modern phones include flash memory for storing phone numbers, DRAM for higher performance working memory because flash is too slow, and some SRAM for even higher performance. Some NRAM could be placed on the CPU to act as the CPU cache, and more in other chips replacing both the DRAM and flash. NRAM is one of a variety of new memory systems, many of which claim to be "universal" in the same fashion as NRAM – replacing everything from flash to DRAM to SRAM. An alternative memory ready for use is ferroelectric RAM (FRAM or FeRAM). FeRAM adds a small amount of a ferro electric material to a DRAM cell. The state of the field in the material encodes the bit in a non destructive format. FeRAM has advantages of NRAM, although the smallest possible cell size is much larger than for NRAM. FeRAM is used in applications where the limited number of writes of flash is an issue. FeRAM read operations are destructive, requiring a restoring write operation afterwards. Other more speculative memory systems include magnetoresistive random access memory (MRAM) and phase change memory (PRAM). MRAM is based on a grid of magnetic tunnel junctions. MRAM's reads the memory using the tunnel magnetoresistance effect, allowing it to read the memory both non destructively and with very little power. Early MRAM used field induced writing, reached a limit in terms of size, which kept it much larger than flash devices. However, new MRAM techniques might overcome the size limitation to make MRAM competitive even with flash memory. The techniques are Thermal Assisted Switching (TAS), developed by Crocus Technology, and Spin transfer torque on which Crocus, Hynix, IBM, and other companies were working in 2009. PRAM is based on a technology similar to that in a writable CD or DVD, using a phase change material that changes its magnetic or electrical properties instead of its optical ones. The PRAM material itself is scalable but requires a larger current source.

Тарих

Nantero 2001 жылы құрылған, штаб-пәтері Массачусетс штатының Вобурн қаласында орналасқан. Flash-жадты өндіру үшін жартылай өткізгіштерді жасау өсімдеріне үлкен инвестициялар жасалғандықтан, NRAM жылдамдығы мен тығыздығының 2003 жылғы болжамдарына қарамастан, нарықта flash-ты алмастыратын басқа жад пайда болған жоқ. 2005 жылы NRAM әмбебап жад ретінде жарнамаланды, ал Nantero оны 2006 жылдың соңына дейін өндіріске енгізетінін күтті. 2008 жылдың тамызында Lockheed Martin Nantero-ның зияткерлік меншігін мемлекеттік мақсаттарда пайдалануға эксклюзивті лицензия алды. 2009 жылдың басына қарай Nantero-ның 30 АҚШ патенты және 47 қызметкері болды, бірақ компания әлі де инженерлік кезеңде болды. 2009 жылдың мамырында АҚШ-тың STS 125 миссиясында NRAM-ның радиацияға төзімді нұсқасы сынақтан өтті. Компания 2012 жылдың қарашасында Бельгияның imec зерттеу орталығымен жаңа қаржыландыру және ынтымақтастық туралы хабарланғанға дейін үнсіз болды. Nantero 2012 жылдың қараша айындағы D сериясының қаржыландыру кезеңінде 42 миллион доллардан астам қаржы жинады. Инвесторлардың арасында Charles River Ventures, Draper Fisher Jurvetson, Globespan Capital Partners, Stata Venture Partners және Harris & Harris Group компаниялары болды. 2013 жылдың мамырында Nantero Schlumberger компаниясының инвестициясымен D сериясын аяқтады. EE Times Nantero-ны "2013 жылы назар аудару керек 10 стартаптың" бірі деп тізімдеді. 31 тамыз 2016: 2018 жылы екі Fujitsu жартылай өткізгіш компаниясы Nantero NRAM технологиясын лицензиялады, Nantero-Fujitsu бірлескен әзірлемесімен чиптерді өндіруді жоспарлады. Олардың қайта жазу жылдамдығы енгізілген flash-жадтан бірнеше мың есе жоғары, ал қайта жазу циклдері де бірнеше мың есе көп. 2024 жылдың қазіргі күніне дейін бұл өнімдер жарияланды, бірақ әлі нарыққа шыққан жоқ.