Ученые Института физики полупроводников предложили новые способы создания элементов для универсальной компьютерной памяти ReRAM

Компьютерная память нового типа — универсальная — может совмещать в себе энергонезависимость, как флэш-память или жёсткий диск, высокую скорость работы, характерную для оперативной памяти и большой информационный объём. Один из лучших кандидатов на роль универсальной памяти — резистивная ReRAM, в которой данные записываются за счёт изменения электрического сопротивления. Разработкой универсальной памяти занимаются крупнейшие технологические центры мира.

Элемент ReRAM — мемристор — представляет собой структуру металл-диэлектрик-металл, в которой тонкий слой диэлектрика обратимо меняет сопротивление, при подаче переключающего импульса напряжения – из-за образования и рассасывания в нем тонкого проводящего канала (филамента). В качестве таких диэлектриков, в частности, используются обеднённые кислородом оксиды металлов — тантала, циркония и гафния. Особенность оксидов в нестехиометрическом составе — соотношение между атомами металла и кислорода не выражается простыми целыми числами. Например, HfO_1.42— нестехиометрический оксид.

Молодые учёные ИФП СО РАН создали мемристоры на основе всех вышеперечисленных оксидов и исследовали свойства элементов памяти. Благодаря широкому использованию этих оксидных соединений в кремниевой технологии, мемристоры на их основе не потребуют больших затрат при внедрении. Кроме того, на основе нестехиометрических оксидов тантала возможно создание многоуровневых устройств памяти.

Достижения молодых учёных и их коллег применимы при разработке промышленных образцов резистивной памяти.

Материал для мемристоров с оптимальными характеристиками

Алина Герасимова выяснила взаимосвязь условий роста и химического состава, оптических и электрических свойств плёнок нестехиометрических оксидов гафния, циркония и тантала. Результаты её работы могут быть полезны при создании технологических маршрутов изготовления элементов резистивной памяти и перспективной оксидной электроники — альтернативы полупроводниковой.

Прототипы элементов памяти. Фото Надежды Дмитриевой

Для синтеза образцов учёные использовали метод ионно-лучевого распыления-осаждения. Он сравнительно легко позволяет получать тонкие плёнки оксидов, обеднённые кислородом.

«Мы установили, что плёнки оксидов металлов (гафния, циркония) нестехиометрического состава, полученные методом ионно-лучевого распыления-осаждения, состоят из трёх компонентов: металла, предельного оксида (HfO₂/ZrO₂) и субоксида определённого состава (Hf₄O₇ или Zr₄O₇).

В плёнках оксида тантала нестехиометрического состава тоже три компонента, но субоксиды TaO_y могут быть разного состава, в отличие от оксидов гафния и циркония.

Оказалось, что мемристоры с лучшими характеристиками — не требующие операции формовки, что упрощает технологию их производства, без существенного уменьшения “окна памяти” и быстродействия — получаются при максимальной концентрации субоксида. В перспективе это можно использовать при составлении технологических маршрутов», — рассказала младший научный сотрудник лаборатории физической химии поверхности полупроводников и систем полупроводник-диэлектрик ИФП СО РАН кандидат физико-математических наук Алина Константиновна Герасимова.

Массивы элементов памяти под микроскопом. Фото Надежды Дмитриевой

Кроме того, исследовательница предложила способ неразрушающего контроля состава плёнок нестехиометрических оксидов во время роста — с помощью эллипсометрии — оптического метода, использующего эффект изменения поляризации света при его отражении от объектов. Такой подход менее трудоёмок, чем традиционно применяемый — рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии.

Состав пленок, в данном случае, соотношение атомов кислорода к атомам металла — влияет на проводимость пленок, а значит и на характеристики резистивной памяти.

«Мы получили зависимость показателя преломления от состава плёнок (отклонения от стехиометрии) для нестехиометрических оксидов гафния и циркония. Зависимость линейна, и у нее есть важное практическое значение: она позволяет определять состав синтезированных слоёв оптическими методами без использования сложного метода рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии», — пояснила А. Герасимова

Эллипсометры — приборы для высокоточного контроля свойств тонких плёнок и структур — разработаны и произведены в ИФП СО РАН.

Высокоэффективные прототипы мемристоров

Младший научный сотрудник молодёжной лаборатории нанотехнологий и наноматериалов ИФП СО РАН, кандидат физико-математических наук Виталий Воронковский вместе с коллегами определил составы слоёв оксидов гафния и циркония, подходящие для создания мемристоров.  А также составы, при которых такие мемристоры не требуют формовки, что в перспективе позволит создавать матрицы памяти большого объёма. Формовка — это первое «включение» мемристора, как правило, с подачей более высокого напряжения, чем требуется при последующих переключениях. При формовке образуется филамент — проводящий канал.

«Используя для синтеза оксидов ионно-лучевое распыление-осаждение с разным парциальным давлением кислорода, мы получили образцы, отличающиеся по составу. В ходе экспериментов установили, что часть полученных структур демонстрировала эффект резистивного переключения. А при сильном обеднении кислородом удалось создать бесформовочные мемристоры. Это важно, поскольку такие мемристоры значительно облегчают разработку матриц памяти высокой информационной емкости» — рассказал ученый.

Также работа ученых позволила добиться стабильности характеристик мемристоров, а в 2022 году на данную разработку получен патент.

Резистивные переключения в мемристоре происходят благодаря образованию филамента. Но его зарождение и формирование происходит в случайном месте, обусловленном разными факторами, поэтому могут возникать несколько конкурирующих филаментов в одном и том же мемристоре. В результате появляется большой разброс напряжений резистивных переключений и сопротивлений от одного цикла переключения к другому, что снижает устойчивость переключений и, как следствие, уменьшает привлекательность мемристоров для использования в качестве ячеек памяти.

Учёные показали, что, если «посветить» электронным лучом на оксидный слой мемристора в области, сопоставимой с размерами поперечного сечения филамента, можно добиться возникновения проводящего канала в области действия луча.

«При воздействии электронного луча формировалась “затравка” филамента в диэлектрике. Напряжения формовки и резистивных переключений в таких мемристорах были значительно меньше, чем у мемристоров, полученных без воздействия электронного луча, что позволило исключить появление дополнительных проводящих каналов в других областях диэлектрика. В результате мемристоры демонстрируют кратное снижение разброса напряжений резистивного переключения и сопротивлений по сравнению с мемристорами без локального электронно-лучевого воздействия», — отметил В. Воронковский.

 «Можно спроектировать электронно-лучевую систему, которая будет одновременно облучать матрицы мемристоров, чтобы сократить время, нужное для создания затравок», — добавил учёный.