В Японии созданы сверхтонкие конденсаторы для памяти будущего
Современная электроника стремительно сокращается в размерах, параллельно наращивая производительность. По мере уменьшения компонентов растет потребность в ультратонких материалах для памяти, способных эффективно хранить данные даже в ограниченном пространстве.
Самая перспективная на сегодня сегнетоэлектрическая память FeRAM записывает информацию за счет переключаемой электрической поляризации, что делает ее энергонезависимой. Но миниатюризация ее затруднена — так как приводит к потере ценных сегнетоэлектрических свойств.
В Институте науки Токио (Science Tokyo) сумели уменьшить общую толщину сегнетоэлектрического конденсатора для памяти на основе тонких пленок нитрида алюминия, легированного скандием. Общая толщина структуры составила всего 30 нм, включая электроды. Исследование вышло в журнале Advanced Electronic Materials.
Сегнетоэлектрическая память имеет простую слоистую структуру: сегнетоэлектрик между двумя металлическими электродами.
«Предыдущие исследования по уменьшению толщины сегнетоэлектрической памяти были сосредоточены только на утончении самих сегнетоэлектрических слоев. Наша работа отличается тем, что мы сфокусировались на масштабировании всей структуры, а не только сегнетоэлектрической пленки», — объясняет профессор Хироси Фунакубо с факультета материаловедения и инженерии Science Tokyo, руководивший исследованием.
Ученые разработали трехслойную конденсаторную структуру, состоящую из пленки (Al₀,₉Sc₀,₁)N в качестве сегнетоэлектрического слоя, заключенного между платиновыми электродами. Тщательно балансируя толщину слоев с функциональными характеристиками, команда успешно создала оптимизированную конденсаторную структуру общей толщиной всего 30 нм, в том числе: нижний электрод 5 нм, сегнетоэлектрик 20 нм и верхний электрод 5 нм.
Впечатляющие характеристики обусловлены собственными сегнетоэлектрическими свойствами (Al,Sc)N, которые связаны с его высокой остаточной поляризацией. Получившийся конденсатор готов к использованию в устройствах и подходит для непосредственного встраивания в полупроводниковые схемы и логические системы, а технология его изготовления совместима со стандартными КМОП-техпроцессами.
«Результаты показали, что высокие сегнетоэлектрические характеристики можно сохранить даже при радикальном уменьшении общей толщины конденсаторной структуры. Это приближает нас на шаг к практической реализации ультратонких устройств памяти», — говорит Фунакубо.
Эксперименты показали, что отжиг нижнего платинового электрода при 840 °C улучшает его кристаллическую ориентацию и усиливает переключение поляризации в более тонких пленках. Это подчеркивает важность данного этапа для сохранения сегнетоэлектрических свойств при значительном уменьшении толщины.
В целом, данное исследование закладывает прочную основу для создания компактной сегнетоэлектрической памяти и может стимулировать уменьшение толщины других сегнетоэлектрических архитектур, таких как FeRAM и сегнетоэлектрический туннельный переход FTJ, которые критически зависят от стабильного переключения и удержания поляризации. В будущем планируется изучить альтернативные материалы электродов с более подходящей кристаллической ориентацией, чтобы снизить температуру обработки. Подобные улучшения могут ускорить разработку встроенной памяти для устройств интернета вещей, что приведет к созданию более компактной, быстрой и энергоэффективной электроники.