Учёные из Центра коллективного пользования МФТИ научились управлять концентрацией кислорода в плёнках оксида тантала, получаемых методом атомно-слоевого осаждения. Такие покрытия могут стать основой для создания перспективного типа энергонезависимой памяти. Статья опубликована в журнале ACS Applied Materials and Interfaces.
Хотите память, быструю, как оперативная, но энергонезависимую и ёмкую, как флеш-память?
В современном мире способы хранения и обработки информации играют ключевую роль, поэтому большое количество научных групп и корпораций работают 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. Её принцип работы заключается в изменении сопротивления ячейки памяти под действием приложенного напряжения. За счёт этого высокое и низкое сопротивления ячейки могут быть использованы для хранения информации. Например: «0» и «1».
Функциональной основой ReRAM-ячейки является структура металл-диэлектрик-металл. В качестве диэлектрического слоя хорошо зарекомендовали себя оксиды переходных металлов (HfO₂, Ta₂O₅). В этом случае приложенное к ячейке напряжение 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 флеш-памяти довольно стабильны. Это происходит благодаря тому, что для производства флеш-памяти можно использовать трёхмерные массивы ячеек. Это позволяет значительно увеличить плотность ячеек на чипе, в то время как методы создания плёнок с дефицитом кислорода, используемые для ReRAM, не подходят для нанесения функциональных слоёв на трёхмерные структуры.
Хитрости атомно-слоевого осаждения
Чтобы обойти эти трудности, 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.
Иллюстрация к статье:
Обсуждение