Учёные из Центра коллективного пользования МФТИ приблизились к созданию «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.Таким образом, высокое и низкое сопротивления ячейки может быть использовано для хранения информации как «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 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.
Методы создания пленок с дефицитом кислорода, используемые для ReRAM, не подходят для нанесения функциональных слоев на трёхмерные структуры.
Чтобы обойти эти трудности, учёные 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 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 поочередно 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.
«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, – рассказал Андрей Маркеев, один из авторов работы, ведущий научный сотрудник МФТИ. – 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.
Команда из МФТИ обшла и эту трудность, использовав уникальный экспериментальный кластер, который позволяет проводить рост и исследование осаждённых слоёв, не нарушая вакуума.