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2021/12/25
導讀
非易失性阻變式存儲器，作為一項新興的存儲科技，它結合了非易失性和速度快特點。最近，俄羅斯莫斯科物理技術學院的科研人員開發出一種新方案，能控制由原子層沉積（ALD）技術製備的鉭氧化物薄膜中的氧含量，這種薄膜有望成為非易失性阻變式存儲器的基礎。
關鍵字
存儲器、存儲技術、ReRAM
背景
在現代計算機技術中，存儲設備與存儲技術一直處於非常重要的地位，常見的存儲設備有ROM、RAM、SSD、Flash、U盤等等。RAM可隨時讀寫，且速度很快，但是電源關閉后，數據無法保存，所以具有「易失性」。而Flash在電源關閉后，也能夠長久地保持數據，因此具有「非易失性」，可是它的速度比RAM慢。
因此，許多科研團隊與科技公司都在研發新型計算機存儲器，主要目標就是將RAM速度優勢和Flash的非易失性優勢相結合。然而，非易失性阻變式存儲器，也稱為ReRAM，或者RRAM，被視為一項非常有前途的新興技術，引起了業界的廣泛注意，它能夠完美地結合RAM和Flash的優勢。
ReRAM的工作原理如下：
根據施加在金屬氧化物材料上的電壓不同，材料的電阻會在高阻態和低阻態之間發生相應變化，開啟或阻斷電流通道，允許或者拒絕電子流過，兩種狀態分別代表二進位數「0」或者「1」，從而達到儲存信息的目的。
創新
最近，俄羅斯莫斯科物理技術學院（MIPT）的科研人員探索出一種新方案，能夠控制由原子層沉積（ALD）技術製備的鉭氧化物薄膜中的氧含量。這種薄膜可能成為新型非易失性阻變式存儲器（ReRAM ）的基礎。
（圖片來源：MIPT）
相關論文發表於《ACS Applied Materials & Interfaces》雜誌，影響因子為7.14。
技術
ReRAM 存儲單元，可以通過一種金屬-電介質-金屬的結構來實現，而過渡族金屬例如鉿和鉭的氧化物，可作為這種分層結構中的電介質組件來使用。對基於這些材料的存儲單元施加一個電壓，會引起氧的遷移，改變其電阻。所以，氧化物薄膜中的氧含量分佈，成為決定存儲單元功能特性的一項至關重要的參數。
儘管ReRAM 的研發取得了顯著進展，可是Flash存儲器仍然在市場和應用中佔據著主要地位，原因就是Flash存儲器可進行三維存儲單元堆疊，這極大提高了其存儲密度。可是，一般用於ReRAM的貧氧薄膜沉積技術，無法應用於三維架構。
為了尋求一項替代的技術，MIPT的科研人員想到了原子層沉積技術，它是一種化學工藝，用於在材料的表面製備薄膜。過去幾十年來，ALD技術得到了廣泛應用，例如在納米電子、光學和生物電子領域。
ALD技術主要有兩個優勢：
第一，就是對於薄膜厚度的控制是史無前例的：它能夠沉積薄膜達幾納米的厚度，而誤差控制在幾分之一納米。
第二，就是ALD技術能對於三維結構進行保形塗覆，而現有的納米薄膜沉積技術對於這種三維結構往往是有問題的。
在ALD工藝中，基質接連暴露於兩種化學物質，分別是前驅體和反應物。這兩種物質之間會發生化學反應，從而創造出塗層。除了塗層中使用到的元素，前驅體還包含其他成分，例如碳和氯，也稱為配體。它們促進了反應，然而在理想的ALD工藝中，一旦其與另外一種化學物質（反應物）發生了相互作用，就必須完全從生成的薄膜中移除。在原子層沉積技術中，選擇使用正確的物質十分關鍵。雖然在ALD技術中，對於氧含量可變的氧化物薄膜進行沉積是十分困難的，但它對於ReRAM技術來說是必需的。
（圖片來源：MIPT）
MIPT物理學和數學博士Andrey Markeev 說：
「沉積貧氧薄膜過程中最難的部分，就是尋找正確的反應物，既能消除金屬前驅體中含有的配體，又可以控制生成的塗層中的氧含量。為了達到這個目標，我們使用了本身含氧的鉭前驅體，以及一種以等離子體活化氫形式存在的反應物。」
證實實驗結果本身就是一項挑戰。在ALD工藝中，真空腔用於存放實驗樣本，而一旦實驗室樣本從真空腔中移除，暴露於大氣層，將會引起電介質頂層的變化，利用分析技術例如電子能譜學，瞄準樣品表面，就會檢測到缺氧。
實驗設備
（圖片來源：MIPT）
MIPT的研究所 Konstantin Egorov 認為：
「在這項研究中，我們不僅需要獲取具有不同含氧量的薄膜，而且也要利用實驗進行證實。為此，我們團隊通過獨特的實驗方法，讓我們無需破壞真空，就可以生長薄膜並研究它們。」
參考資料
【1】https://mipt.ru/english/news/new_prospects_for_universal_memory
【2】http://dx.doi.org/10.1021/acsami.7b00778
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本文為作者原創，未經授權不得轉載
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