Сотрудники Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН совместно с коллегами разработали низкотемпературную технологию получения нестехиометрических плёнок оксида и оксинитрида кремния в качестве активного слоя элементов энергонезависимой резистивной памяти и предложили новый подход в определении оптимального состава, основанного на установлении ближнего порядка в расположении атомов полученных аморфных плёнок. В будущем этот подход может использоваться при производстве мемристоров — устройств резистивной энергонезависимой памяти, предлагаемых в качестве альтернативы флеш-памяти. Статья об этом опубликована в журнале Applied Surface Science.

Резистивная память с произвольным доступом (ReRAM) выступает качестве потенциальной замены флеш-памяти благодаря энергонезависимости, высокой скорости работы, числу циклов перезаписи, долговечности, информационной ёмкости и простоте технологических процессов изготовления с хорошей масштабируемостью. Благодаря своим характеристикам устройства ReRAM считаются универсальными, сочетая функции оперативной памяти и длительного хранения данных. Они могут применяться в запоминающих устройствах, сохраняющих информацию без доступа к питанию, в создании вычислительных машин, микропроцессоров, электронных паспортов и карточек, а также в работе нейросетей.

«Флеш-память сегодня используется на большинстве вычислительных устройств, однако она имеет свои ограничения, поскольку требует для записи и считывания информации использования транзисторов, управляющих ключей. Для мемристоров в этом нет необходимости, поскольку их работа основана на другом принципе — это обратимое изменение сопротивления активного слоя за счет формирования и разрушения в нем проводящего канала. То есть под воздействием приложенного напряжения система переходит в проводящее (открытое) состояние, а при смене полярности — закрывается. Способность мемристора переключаться с открытого состояния в закрытое и обратно позволяет проводить операции перезаписи во много раз быстрее, чем сегодня это доступно на устройствах флеш-памяти. Однако токи программирования RеRAM всё ещё выше, чем те, которые требуются для универсальной памяти, и, таким образом, снижение энергопотребления устройства является важной задачей для приложений ReRAM», — рассказал старший научный сотрудник ИФП СО РАН кандидат физико-математических наук Геннадий Николаевич Камаев.

На практике важна разработка мемристоров с активным слоем на основе материалов, полностью совместимых с традиционной комплементарной структурой металл — оксид — полупроводник (КМОП). И здесь представляют большой интерес диэлектрики на основе кремния. Стехиометрический оксид кремния (SiO₂), благодаря своим электрофизическим свойствам, стабильности и экономичности, сегодня успешно используется в производстве микросхем. В мемристорах в качестве активного слоя используются диэлектрики с нестехиометрическим составом. Такие диэлектрики при одном и том же составе могут иметь разную структуру (ближний порядок в расположении атомов). Поэтому необходимо учитывать возможное влияние ближнего порядка на электрофизические свойства диэлектрика, на что и обратили внимание новосибирские ученые в своем исследовании. В экспериментах состав пленок, полученных методом плазмохимического осаждения на установке с удаленной плазмой и индуктивным возбуждением, исследовался с применением рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Сопоставление экспериментального спектра с расчетами показало, что ближний порядок в расположении атомов полученных аморфных плёнок SiO_x и SiO_xN_y определяется содержанием избыточного кремния и описывается в рамках разных моделей. Ближний порядок оказывает определяющее влияние на мемристорные характеристики получаемых пленок. Мемристоры, активный слой в которых описывается моделью неупорядоченной случайной сетки (когда в твёрдых растворах атомы одного сорта беспорядочно распределены среди атомов другого сорта), демонстрируют большее окно памяти и высокую стабильность при многократных переключениях элемента ReRAM между двумя устойчивыми состояниями, соответствующими низкоомному и высокоомному состояниям.

«Итогом проделанной работы стали полученные практически значимые результаты по взаимосвязи между строением аморфных кремнийсодержащих диэлектрических пленок и характеристиками элементов ReRAM с активным слоем на их основе, закрепленные выдачей патента на способ получения активного слоя/элемента энергонезависимой резистивной памяти. Наша технология в перспективе может служить важным звеном в производстве мемристоров, в частности может внести существенный вклад в решение технической проблемы обеспечения удешевления производства устройств энергонезависимой резистивной памяти за счёт высокой технологической совместимости с используемыми процессами и традиционными в производстве микроэлектроники материалами», — отметил Г. Н. Камаев. 

Работа выполняется при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 22-19-00369). В ней приняли участие сотрудники Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН (Новосибирск), МФТИ (Долгопрудный) и Новосибирского государственного технического университета.

Текст: Кирилл Сергеевич.
Источник: «Наука в Сибири».