Ученые из Московского физико-технического института создали нанопленки для памяти нового типа, быстрой как оперативная, емкой и энергонезависимой как флешка. Сотрудники Центра коллективного пользования МФТИ научились управлять концентрацией кислорода в пленках оксида тантала, получаемых методом атомно-слоевого осаждения. Именно такие покрытия могут стать основой для создания перспективного типа энергонезависимой памяти. Статья об их работе опубликована в журнале ACS Applied Materials and Interfaces, кратко о ней рассказывает пресс-релиз МФТИ.
В современном мире способы хранения и обработки информации играют ключевую роль, поэтому большое количество научных групп и корпораций работает над разработкой новых типов компьютерной памяти. На сегодня актуальной задачей является создание «универсальной памяти», способной объединить быстроту оперативной памяти и энергонезависимость флешки.
Одним из кандидатов является память на основе резистивного переключения — ReRAM. Ее принцип работы заключается в изменении сопротивления ячейки памяти под действием приложенного напряжения.Таким образом, высокое и низкое сопротивления ячейки может быть использовано для хранения информации как, например, «0» и «1».
Функциональной основой ReRAM-ячейки является структура металл-диэлектрик-металл. В качестве диэлектрического слоя хорошо зарекомендовали себя оксиды переходных металлов: гафния и тантала (HfO2, Ta2O5). В этом случае приложенное напряжение к ячейке приводит к миграции кислорода, что вызывает изменение сопротивления всей структуры. Таким образом, управление концентрацией кислорода в оксиде является важнейшим параметром, который определяет функциональные свойства ячеек памяти.
Однако, несмотря на заметные успехи в разработке ReRAM, позиции флэш-памяти довольно стабильны. Это происходит благодаря тому, что для производства флэш-памяти можно использовать трехмерные массивы ячеек. Это позволяет значительно увеличить плотность ячеек на чипе, в то время как методы создания пленок с дефицитом кислорода, используемые для ReRAM, не подходят для нанесения функциональных слоев на трехмерные структуры.
Чтобы обойти эти трудности, ученые из МФТИ применили метод атомно-слоевого осаждения (АСО или Atomic Layer Deposition – ALD – нанесение тонких пленок, обусловленное протеканием химических реакций на поверхности образца). В последние десятилетия он получил широкое распространение: оптические покрытия, биомедицинские активные поверхности, функциональные слои для наноэлектроники. Есть два ключевых преимущества атомно-слоевого осаждения: во-первых, уникальный контроль над толщиной получаемых пленок – покрытие в несколько нанометров может быть нанесено с ошибкой в доли нанометра. Во-вторых, метод позволяет однородно покрывать трехмерные структуры, что затруднительно для большинства современных подходов создания нанопокрытий.
Этапы химических реакций при нанесении пленки оксида тантала с дефицитом кислорода и результаты их анализа методом рентгенофотоэлектронной спектроскопии
В процессе атомно-слоевого осаждения обычно используются два химических реагента: прекурсор и реактант, которые поочередно наносятся на подложку. Химическая реакция между ними ведет к образованию желаемого покрытия. Стоит отметить, что, помимо необходимого химического элемента, прекурсоры содержат дополнительные соединения – лиганды (например, на основе углерода, хлора и т.д.). Они способствуют протеканию химических реакций и в идеальном процессе АСО должны быть полностью удалены из наносимого покрытия после взаимодействия со вторым реагентом – реактантом. Поэтому подбор реагирующих веществ является ключевым для атомно-слоевого осаждения. Однако создание оксидов с различной концентрацией кислорода, столь необходимых для ReRAM, является непростой задачей для атомно-слоевого осаждения.
Андрей Маркеев, к.ф-м.н., ведущий научный сотрудник МФТИ рассказывает: «Самым трудным в задаче получения оксидов с дефицитом кислорода было найти нестандартные реактанты, позволяющие не только полностью “убрать” лиганды металлического прекурсора, но и контролировать содержание кислорода в получаемой пленке. Эта задача была успешно решена за счет использования танталового прекурсора, уже содержащего кислород, а в качестве реактанта – активного водорода, генерируемого в удалённом плазменном разряде».
На фото слева направо: Дмитрий Кузьмичёв, Константин Егоров, Андрей Маркеев и Юрий Лебединский, сотрудники Центра коллективного пользования МФТИ, и установка для АСО.
Еще одна трудность крылась в подтверждении полученного результата. Дело в том, что если экспериментальный образец вынести из условий вакуума, в котором происходит АСО, то верхний слой диэлектрика под действием атмосферы модифицируется настолько, что обнаружить дефицит кислорода такими «поверхностными» методами анализа, как электронная спектроскопия, уже не удается.
Константин Егоров, аспирант МФТИ: «В нашей работе важно было не только создать плёнки с разным количеством кислорода, но и подтвердить это экспериментально. Для этого наша команда использовала уникальный экспериментальный кластер, который позволяет проводить рост и исследование осаждённых слоев, не нарушая вакуума».
Исследование поддержано грантом Российского научного фонда №14-19-01645 и программой повышения конкурентоспособности МФТИ «5–100». В работе использовано технологическое и аналитическое оборудование Центра коллективного пользования уникальным научным оборудованием в области нанотехнологий МФТИ.
