На пути к «универсальной памяти»
3 мин чтения
Экспериментальный кластер для роста и исследования тонких покрытий без контакта с атмосферой в Центре коллективного пользования МФТИ

Экспериментальный кластер для роста и исследования тонких покрытий без контакта с атмосферой в Центре коллективного пользования МФТИ

Созданные в МФТИ «умные» пленки могут стать ее основой.

Ученые из Центра коллективного пользования МФТИ научились управлять концентрацией кислорода в пленках оксида тантала, получаемых методом атомно-слоевого осаждения (АСО). Такие покрытия могут стать основой для создания перспективного типа энергонезависимой компьютерной памяти. Сделать это ученые смогли с помощью уникального научного оборудования для исследований в области нанотехнологий, которым располагает Центр коллективного пользования МФТИ. Статья об этой работе опубликована в журнале АСS Applied Materials and Interfaces (IF=7.14).

Память нового типа

В современном мире способы хранения и обработки информации играют ключевую роль, поэтому большое количество научных групп и корпораций работает над разработкой новых типов компьютерной памяти. На сегодняшний день актуальным стало создание «универсальной памяти», способной объединить быстроту оперативной памяти с емкостью и энергонезависимостью флешки.

Одна из кандидаток - память на основе резистивного переключения ReRAM. Принцип ее работы заключается в изменении сопротивления ячейки памяти под действием приложенного напряжения. Таким образом, высокое и низкое сопротивления ячейки могут быть использованы для хранения информации как, например, «0» и «1».

Функциональной основой ReRAM-ячейки служит структура металл-диэлектрик-металл. В качестве диэлектрического слоя хорошо зарекомендовали себя оксиды переходных металлов гафния и тантала (HfO2, Ta2O5). В этом случае приложенное напряжение к ячейке приводит к миграции кислорода, вызывающей изменение сопротивления всей структуры. Таким образом, управление концентрацией кислорода в оксиде является важнейшим параметром, определяющим функциональные свойства ячеек такой памяти.

Этапы химических реакций при нанесении пленки оксида тантала с дефицитом кислорода и результаты их анализа методом рентгено-фотоэлектронной спектроскопии

Однако, несмотря на заметные успехи в разработке ReRAM, позиции флэш-памяти до сих пор довольно стабильны. Благодаря тому, что для производства флэш-памяти можно использовать трёхмерные массивы ячеек. Это позволяет значительно увеличить плотность ячеек на чипе, в то время как методы создания пленок с дефицитом кислорода, используемые для ReRAM, не подходят для нанесения функциональных слоев на трехмерные структуры.  

Хитрости АСО

Чтобы обойти эти трудности, ученые 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 этот метод получил широкое распространение на оптических покрытиях, биомедицинских активных поверхностях, функциональных слоях для наноэлектроники. Есть два ключевых преимущества атомно-слоевого осаждения: во-первых, возможен точный контроль над толщиной получаемых плёнок — покрытие в несколько нанометров может быть нанесено с ошибкой всего в доли нанометра! Во-вторых, этот метод позволяет однородно покрывать трехмерные структуры, что затруднительно для большинства современных технологий 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 - непростая задача для атомно-слоевого осаждения.

На фото слева направо: Дмитрий Кузьмичев, Константин Егоров, Андрей Маркеев и Юрий Лебединский, сотрудники Центра коллективного пользования МФТИ, и установка для АСО

«Самым трудным в получении 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 благодаря использованию танталового прекурсора, уже содержащего кислород, а в качестве реактанта — активного водорода, генерируемого в удаленном плазменном разряде», - рассказал Андрей Маркеев, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник МФТИ.

Ещё одна сложность заключалась 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 удается.

«В нашей работе важно было не только создать пленки с разным количеством кислорода, но и подтвердить это экспериментально. Для этого наша команда использовала уникальный экспериментальный кластер МФТИ, который позволяет проводить рост и исследование осажденных слоев, не нарушая вакуума», – рассказал Константин Егоров, аспирант МФТИ.

Это 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 МФТИ.

Если у Вас возник вопрос по материалу, то Вы можете задать его специальной рубрике Задать вопрос СПбГУ - теперь и в Южной Корее Далее в рубрике СПбГУ - теперь и в Южной КорееВосточно-Азиатский форпост российской науки Читайте в рубрике «Общество» Срок за репостЭксперт — о практике применения статьи 282 Уголовного кодекса РФ Срок за репост

Комментарии

Авторизуйтесь чтобы оставлять комментарии.
Загрузка...
Анализ событий России и мира
Подпишитесь на «Русскую планету» в социальных сетях. Только экспертный взгляд на события
Каждую пятницу мы будем присылать вам сборник самых важных
и интересных материалов за неделю. Это того стоит.
Закрыть окно Вы успешно подписались на еженедельную рассылку лучших статей. Спасибо!
Станьте нашим читателем,
сделайте жизнь интереснее!
Помимо актуальной повестки дня, мы также публикуем:
аналитику, обзоры, интервью, исторические исследования.
личный кабинет
Спасибо, я уже читаю «Русскую Планету»