Ученые Института физики полупроводников им А.В. Ржанова СО РАН (ИФП СО РАН) разработали прототипы мемристоров (элементов памяти) для матриц энергонезависимой памяти большого объема, определили, каким должен быть состав активных слоев, чтобы получать мемристоры с лучшими характеристиками, и предложили неразрушающий метод контроля состава слоев во время их синтеза.
Виталий Воронковский, Алина Герасимова (фото Тимофея Перевалова)
Компьютерная память нового типа — универсальная — может совмещать в себе энергонезависимость, как флэш-память или жесткий диск, высокую скорость работы, характерную для оперативной памяти, и большой информационный объем. Один из лучших кандидатов на роль универсальной памяти — резистивная ReRAM, в которой данные записываются за счет 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 обедненные кислородом оксиды металлов — тантала, циркония и гафния. Особенность оксидов в нестехиометрическом составе — соотношение между атомами металла и кислорода — не выражается простыми целыми числами. Например, HfO1.42— нестехиометрический оксид.
Молодые ученые 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. Подробные результаты работ изложены в диссертациях на соискание степеней кандидата наук. Соискателями стали сотрудники ИФП СО РАН — Алина Константиновна Герасимова и Виталий Александрович Воронковский. Исследования велись в рамках крупного научного проекта «Квантовые структуры для посткремниевой электроники».
Достижения молодых ученых 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 пленок нестехиометрических оксидов гафния, циркония и тантала. Результаты ее работы могут быть полезны при создании технологических маршрутов изготовления элементов резистивной памяти и перспективной оксидной электроники — альтернативы полупроводниковой.
Для синтеза образцов ученые использовали метод ионно-лучевого распыления-осаждения. Он сравнительно легко позволяет получать тонкие пленки оксидов, обедненные кислородом.
«Мы установили, что пленки оксидов металлов (гафния, циркония) нестехиометрического состава, полученные методом ионно-лучевого распыления-осаждения, состоят из трех компонентов: металла, предельного оксида (HfO2/ZrO2) и субоксида определенного состава (Hf4O7 или Zr4O7).
В пленках оксида тантала нестехиометрического состава тоже три компонента, но субоксиды TaOy 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.
Так выглядят прототипы элементов памяти, созданные учеными ИФП СО РАН (фото Надежды Дмитриевой)
Кроме того, исследовательница предложила способ неразрушающего контроля состава пленок нестехиометрических оксидов во время роста — с помощью эллипсометрии — оптического метода, использующего эффект изменения поляризации света при его отражении от объектов. Такой подход менее трудоемок, 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 пленок (отклонения от стехиометрии) для нестехиометрических оксидов гафния и циркония. Зависимость линейна, и у нее есть важное практическое значение: она позволяет определять состав синтезированных слоев оптическими методами без использования сложного метода рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии», — пояснила А. Герасимова.
Эллипсометры — приборы для высокоточного контроля свойств тонких пленок и структур — разработаны и произведены в ИФП СО РАН.
Высокоэффективные прототипы мемристоров
Младший научный сотрудник молодежной лаборатории нанотехнологий и наноматериалов ИФП СО РАН, кандидат физико-математических наук Виталий Воронковский вместе с коллегами определил составы слоев 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 объема. 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 происходят 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.
Ученые 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 ученый.
Измерение электрофизических характеристик элементов памяти (фото Надежды Дмитриевой)
В деталях: как происходит перемещение заряда? Ловушки для электронов
В своих работах молодые ученые устанавливали механизмы работы мемристоров на максимально детальном уровне. Считается, что в образовании филамента определяющее значение имеют вакансии кислорода в диэлектрическом слое мемристора. Вакансии — это пустующие узлы кристаллической решетки. Вакансии кислорода могут выступать в качестве ловушек для электронов и играют ключевую роль в транспорте заряда в диэлектрике. С увеличением концентрации вакансий кислорода уменьшается сопротивление оксидного диэлектрика.
Однако Виталий Воронковский с коллегами установил, что, хоть повышенная концентрация вакансий кислорода в диэлектрическом слое мемриcтора и способствует образованию филамента при формовке, вакансии кислорода в виде отдельных, изолированных друг от друга ловушек в транспорте заряда в мемристорах на основе оксидов гафния и циркония не участвуют.
«Однако вакансии кислорода могут участвовать в образовании дефектных комплексов, играющих роль мелких ловушек и состоящих, например, из атомов металла и нескольких вакансий кислорода. Помимо вакансий кислорода, в транспорте заряда могут играть роль и междоузельные атомы кислорода, образующиеся в ходе формовки и резистивного переключения. Определение природы таких дефектов (вакансии и междоузельные атомы – дефекты) — важная задача, решить которую можно с помощью квантово-химического моделирования», — подытожил молодой ученый.
«Шуба» вокруг оксида
Алина Герасимова обнаружила, что при локальном воздействии электронного луча в нестехиометрических оксидах формируются металлические кластеры, вокруг которых образуется «шуба» из стехиометрического оксида. Существование такой оболочки объясняет, как могут сосуществовать междоузельный кислород и вакансии кислорода в пленке нестехиометрического состава, которая является активным слоем устройств памяти. Если вакансии — это отсутствие ионов кислорода, то междоузельный кислород — «лишние» атомы кислорода между узлами кристаллической решетки. Обычно вакансии и междоузельные атомы нейтрализуют друг друга.
Также исследовательница выяснила, что под действием электронного луча в нестехиометрических оксидах формируются кристаллические оксидные фазы, которые обычно образуются при высоких температурах и давлениях. В частности, — орторомбическая фаза HfO2. Такие фазы интересны тем, что некоторые из них обладают сегнетоэлектрическими свойствами и применимы для создания разных типов датчиков (термо-, пьезо- и других), сенсоров температуры, давления, и для сегнетоэлектрической памяти FeRAM.
«Мы предполагаем, что в нестехиометрических оксидах гафния при формовке вокруг проводящего канала (филамента) образуется оболочка HfO2. Она может служить резервуаром для накопления междоузельного кислорода, необходимого для реакции окисления филамента при резистивных переключениях, а также защищать этот кислород от рекомбинации с вакансиями кислорода, присутствующими в большом количестве в исходном нестехиометрическом оксиде.
Еще один неожиданный результат: то, что локальная электронно-стимулированная кристаллизация нестехиометрических оксидов HfOх, в отличие от стехиометрических, приводит к образованию орторомбической фазы HfO2, которая обычно образуется только при больших давлениях. Этот результат был получен впервые. До нас никто не исследовал кристаллизацию нестехиометрических оксидов под действием электронного луча. Аналогичные процессы кристаллизации наблюдались и для оксида циркония и тантала», — резюмировала А. Герасимова.
В дальнейшем молодые ученые продолжат работать с нестехиометрическими оксидами. В частности, в их планах исследование нестехиометрического оксида титана, разработка на его основе композитного материала, чувствительного к терагерцовому излучению, и создание матриц для болометров — приемников излучения.
Информация и фото предоставлены пресс-службой ИФП СО РАН