ReRAM-память от МФТИ

Экспериментальный кластер для роста и исследования тонких покрытий без контакта с атмосферойХранения информации являются основой всех современных вычислительных технологий и одним из перспективных направлений в развитии всего этого является разработка универсальной памяти.

Универсальная память должна обладать высокими скоростными характеристиками, стабильностью и надежностью энергонезависимой Flash-памяти.

Одним из типов универсальной памяти является резистивная память (resistive switching memory, ReRAM). Информация в таком виде памяти хранится в виде значения электрического сопротивления активного элемента, которое изменяется под воздействием прикладываемого электрического потенциала.

Как правило, ячейки памяти ReRAM формируются на базе структуры металл-диэлектрик-металл.
В качестве диэлектрических компонентов ячеек памяти используются окиси переходных металлов, таких, как гафний и тантал. Прикладываемое к структуре ячейки памяти напряжение приводит к перемещениям атомов кислорода в оксидах, что, в свою очередь, вызывает изменение электрического сопротивления активного элемента.

Одним из существенных недостатков технологии ReRAM является то, что, в силу особенностей процессов осаждения кислородосодержащих пленок, ячейки такой памяти нельзя располагать друг над другом в трехмерном пространстве, как это можно делать с ячейками Flash-памяти.

Ученые из Центра коллективного пользования МФТИ нашли новый способ эффективного управления концентрацией кислорода в тонких пленках оксида тантала, полученных методом смещения атомных слоев. А эти пленки, в свою очередь, могут стать активными элементами новых типов энергонезависимой памяти, обладающей скоростными характеристиками, сравнимыми с характеристиками динамической памяти (DRAM).

Особенности атомно-слоевого осаждения

Учёные из МФТИ применили метод атомно-слоевого осаждения (АСО, или atomic layer deposition — ALD, — нанесение тонких плёнок, 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 плёнок: покрытие в несколько нанометров может быть нанесено с ошибкой в доли нанометра.
Во-вторых, метод позволяет однородно покрывать трёхмерные структуры, что затруднительно для большинства современных подходов создания нанопокрытий.

В процессе атомно-слоевого осаждения обычно используются два химических реагента: прекурсор и реактант, которые поочерёдно наносятся на подложку. Химическая реакция между ними ведёт 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: «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 плёнке. Эта задача была успешно решена за счёт использования танталового прекурсора, уже содержащего кислород, а в качестве реактанта — активного водорода, генерируемого в удалённом плазменном разряде».

Ещё 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 удаётся.

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 слоёв, 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.

Подробнее о МФТИ https://mipt.ru/