У компьютерной памяти есть две взаимосвязанные проблемы: её никогда не бывает много, и всегда хочется, чтобы она работала хотя бы чуть-чуть быстрее. Скорость работы и объём накопителей, как древний мифологический змей, кусающий себя за хвост, находятся в непрекращающейся гонке друг за другом.
Сейчас у нас нет идеальной памяти, которая была бы и быстра, и объёмна, и энергонезависима – разные запоминающие устройства обладают преимуществом только по одному-двум параметрам. Так, оперативная память позволяет быстро работать с большими объёмами данных, но требует постоянного подключения «к розетке». Обычные флэшки позволяют хранить большие объёмы информации, да и с энергонезависимостью у них полный порядок, но вот скорости чтения и записи оставляют желать лучшего.
Одна из недавних попыток объединить всё лучшее и сделать быструю, ёмкую и энергонезависимую память привела к появлению технологии ReRAM. Суть ее в том, что элементарная ячейка ReRAM-памяти хранит информацию не в виде электрического заряда, как в традиционной флэш-памяти, а в форме электрического сопротивления.Если у ячейки высокое сопротивление, то ей соответствует условный «0», а если низкое – то «1». Чтобы прочитать информацию, достаточно пропустить через ячейку электрический ток и условно измерить её сопротивление. Чтение данных не изменяет состояние ячейки, а чтобы записать данные, требуется особое воздействие. Как это реализовано, что называется, «в железе»?
Основой ReRAM-ячейки служит структура металл-диэлектрик-металл. В качестве диэлектрика могут выступать оксиды металлов, например, гафния или тантала. Если к такой ячейке приложить достаточное напряжение, то возникнет миграция атомов кислорода между электродами, в результате изменится концентрация кислорода в диэлектрике, что в свою очередь отразится на его электрическом сопротивлении.
Такой механизм работы ячейки позволяет добиться скоростей чтения и записи намного больших, чем в традиционных флэш-накопителях. Однако во всей этой чудесной бочке мёда есть одна технологическая ложка дёгтя, которая позволяет пока флэш-памяти прочно удерживать свои лидирующие позиции.
Дело в том, что с помощью технологии производства флэш-памяти можно изготавливать трёхмерные массивы ячеек, тем самым достигая высокой плотности ячеек на чипе, в то время как технология создания плёнок с нужной концентрацией кислорода, используемая в ReRAM, не позволяет делать много слоев.
Исследователям из Московского физико-технического института (МФТИ) удалось обойти это ограничение с помощью метода атомно-слоевого осаждения. Смысл его в использовании двух химических реагентов, прекурсора и реактанта, которые поочерёдно наносятся на подложку, а химическая реакция между ними приводит к образованию желаемого покрытия. В случае с ячейкой ReRAM основная сложность не в самом осаждении оксида металла, а в том, чтобы контролировать содержание в нём кислорода, поскольку для работы технологии резистивной записи необходим слой оксида со строго определённым дефицитом кислорода.
В качестве прекурсора исследователи взяли органическое соединение тантала, уже содержащее нужный структурный «кусок» для оксидного слоя, а чтобы убрать с созданного покрытия лишние органические молекулы, использовали в качестве реактанта активный водород, который генерировался в удалённом плазменном разряде.
Такая технология позволила наносить слои оксидов с различной концентрацией кислорода и с высокой геометрической точностью, что важно при создании многослойного покрытия. Подробно результаты экспериментов описаны в статье в ACS Applied Materials & Interfaces.