Запоминающие устройства на основе переключения сопротивления обладают значительными преимуществами перед используемыми сегодня элементами памяти. Сотрудники группы атомно-слоевого осаждения МФТИ совместно с коллегами из Кореи изучили влияние дефектов поверхности одного из электродов на свойства ячейки резистивной памяти.
Оказалось, что при увеличении толщины электрода шероховатость его поверхности резко возрастает, а параметры ячейки памяти заметно улучшаются. Результаты опубликованы в журнале ACS Applied Materials & Interfaces.
Некоторые вещества при подаче на них электрического напряжения могут переключаться из диэлектрического состояния в проводящее и обратно. Пороговое напряжение, отношение сопротивлений в разных состояниях и другие параметры зависят от вещества, расположенного между электродами. На этом принципе основана работа резистивной памяти с произвольным доступом – одного из наиболее многообещающих типов энергонезависимой памяти. Резистивные запоминающие устройства, построенные на основе оксидов переходных металлов, отличаются низким энергопотреблением, долговечностью, простотой расширения и скоростью работы, поэтому многие компании стимулируют разработки этого типа памяти (сервисный центр ИТСА https://itprofi.in.ua/remont-mobilephone-odessa.html).
Ячейка памяти подобного типа представляет собой слоистую структуру между двумя электродами, на которые подается переключающее напряжение. Ее свойства зависят не только от вещества между электродами, но и от состава и формы самих электродов. Сегодня один электрод делают в основном из нитрида титана, а второй – из платины. Однако платина несовместима с полупроводниковыми структурами, используемыми в компьютерных схемах. Рутений, в отличие от платины, этой проблемы не имеет, кроме того, рутениевые электроды также можно получать методом атомно-слоевого осаждения, благодаря чему есть возможность изготавливать трехмерные вертикальные структуры памяти.
Александра Королёва, аспирантка Физтех-школы электроники, фотоники и молекулярной физики, один из авторов статьи, комментирует: «Мы выращивали рутениевые электроды с разным количеством циклов атомно-слоевого осаждения для исследования влияния толщины электрода на параметры ячейки. Далее с помощью атомно-силового микроскопа исследовали поверхность электрода».
Оказалось, что при увеличении количества осаждаемых слоев размер зерен на поверхности электрода меняется от 5 до 70 нанометров. Затем ученые использовали рутениевые пленки в качестве нижнего электрода в структурах резистивной памяти на основе оксида тантала. Было показано, что увеличение толщины рутения приводит к уменьшению сопротивления ячейки в обоих состояниях, а также к увеличению соотношения значений сопротивления в диэлектрическом и проводящем состояниях. Увеличение шероховатости поверхности рутениевого электрода также привело к снижению напряжения формовки и напряжения переключения. Кроме того, заметно увеличился ресурс устройства, достигая 50 миллионов циклов перезаписи для устройства с наиболее шероховатым электродом. Это значит, что при увеличении шероховатости электрода улучшаются важные для практических применений характеристики устройства – долговечность и энергоэффективность. Для объяснения эффекта учеными была предложена упрощенная модель, демонстрирующая локализацию электрического поля на склонах наиболее крупных зерен на поверхности рутения. Это предположение было подтверждено с помощью проводящей атомно-силовой микроскопии.
«Наши результаты помогут понять, как можно существенно улучшить ячейки памяти нового типа. Увеличение толщины пленки рутения приводит к увеличению шероховатости поверхности электрода. При этом на склонах зерен формируются области локальной концентрации электрического поля, что, в свою очередь, значительно улучшает ключевые характеристики устройства. Результаты дают надежду, что в будущем устройства памяти будут иметь лучшую производительность и надежность», – дополняет Андрей Маркеев, заведующий группой атомно-слоевого осаждения МФТИ.
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда и Министерства науки и высшего образования Российской Федерации.
Пресс-служба МФТИ