Повышение плотности интеграции микросхем памяти имеет ключевое значение для создания высокопроизводительных систем хранения данных и параллельных вычислений, что требует от селекторных элементов в трёхмерно уложенных кросс‑пойнт‑архитектурах сверхнизкого тока утечки и подходящего порогового напряжения. В настоящее время в трёхмерной фазовой памяти для управления состоянием включения/выключения ячеек памяти преимущественно используются селекторы на основе овонического порогового переключения (OTS); при этом производительность доступа этих селекторов непосредственно влияет на эффективность использования площади чипа и его стоимость. Идеальный селектор должен обеспечивать ток утечки в подпороговом режиме порядка пикоампер при половинном напряжении питания, одновременно демонстрируя крайне высокую нелинейность переключения, а его пороговое напряжение должно находиться в диапазоне 1,8–2,5 вольта, чтобы быть совместимым с низковольтными логическими устройствами в передовых технологических узлах. Однако существующие материальные системы и конструктивные решения зачастую не способны одновременно удовлетворить эти строгие требования к параметрам, что ограничивает развитие более масштабных массивов памяти.

Основная сложность заключается в том, что традиционные селекторы сталкиваются с противоречием между физическими свойствами. Хотя уменьшить ток утечки можно, увеличив плотность поперечной сшивки материала или введя диэлектрический буферный слой, это нередко приводит к неизбежному и значительному росту порогового напряжения. Недавние попытки понизить пороговое напряжение за счёт снижения энергии активации проводимости, как правило, всё равно оставляют токи утечки на уровне выше наноампер при ограниченных коэффициентах переключения. Кроме того, для выдерживания термического бюджета технологических процессов конечной стадии интегральных схем аморфные материалы должны обладать чрезвычайно высокой термической стабильностью, что обычно расширяет электронную запрещённую зону и повышает порог включения. Ещё одна ключевая трудность состоит в том, что филаментарный механизм проводимости селекторов долгое время остаётся предметом споров, поскольку отсутствуют прямые экспериментальные данные, наблюдаемые в реальном пространстве.

Для решения указанных выше задач команда из Шэньчжэньского университета, Чжэцзянского университета и других учреждений провела систематические исследования с использованием системы in-situ‑измерений в ТЭМ компании ZEPTOOLS. Создав аморфный нанослой, собранный из наночастиц Ge₂Se₃ и обладающий высокой термической стабильностью, они существенно снизили подпороговый ток утечки в селекторе за счёт чрезвычайно малой площади контакта электродов и впервые на международном уровне непосредственно подтвердили наномасштабный филаментарный механизм проводимости с использованием метода in-situ‑электронной голографии.

Название: Ультранизкотоковые и филаментопроводящие аморфные наночастицы германиево‑селенидного соединения: овонические переключатели с пороговым эффектом
Журнал: Передовые материалы
URL: doi.org/10.1002/adma.2024

Исследовательская группа разработала новую методику синтеза методом горячего впрыска и успешно получила аморфные сферические наночастицы Ge₂Se₃, устранив существующий пробел в исследованиях морфологии наночастиц в данной системе материалов. Этот материал создан на основе упрощённого бинарного состава, не содержащего мышьяк, что позволяет существенно снизить технические барьеры для его масштабного производства. Экспериментальные данные показывают, что наночастицы сохраняют аморфную структуру даже при нагревании до 550 °C в аргоновой атмосфере; при этом температура кристаллизации этих частиц значительно выше, чем у большинства существующих тонкоплёночных материалов с овоническим пороговым переключением. Такая выдающаяся термическая стабильность делает их полностью совместимыми с тепловым бюджетом технологических процессов конечной стадии производства полупроводников, закладывая прочную материальную основу для высокоэффективных встроенных памятных устройств.

Путём спин-нанесения этих аморфных наночастиц на подложку исследователи создали макроскопически плотный нанособранный слой и интегрировали его в Т‑образное селекторное устройство. Благодаря чрезвычайно малой эффективной площади контакта между наночастицами и электродом устройство достигло сверхнизкого тока утечки ниже порогового уровня — порядка 1 пикоампера, при этом пороговое напряжение оставалось в приемлемом диапазоне от 2,2 до 2,6 вольт. Это позволило получить коэффициент селективности «вкл/выкл» на уровне 10⁸, что в ключевых показателях превосходит существующие селекторы на основе тонких пленок. Такой подход к проектированию, разрешающий противоречие в электрических свойствах за счет инноваций в физической морфологии, открывает перспективу дальнейшего масштабирования трехмерных кросс‑поинтовых архитектур.

Для глубокого изучения физического механизма, протекающего в процессе переключения, исследовательская группа использовала предоставленный компанией ZEPTOOLS образцовый держатель для просвечивающей электронной микроскопии в режиме in‑situ, чтобы осуществить непрерывное наблюдение за развитием структуры и электрического поля отдельной наночастицы под действием напряжения. С помощью этого держателя учёные смогли прикладывать напряжение и одновременно получать высокоразрешающие микроскопические изображения на аберрационно‑корректируемом электронном микроскопе. Применение этого прецизионного прибора позволило им точно регулировать значение тока‑комплаенса, что дало возможность наблюдать за внутренними процессами проводимости в частице, сохраняя её аморфное состояние. Экспериментальный процесс строго соответствовал принципу низкой дозы электронного пучка, что минимизировало возможные повреждения образца, вызванные воздействием пучка, и обеспечило достоверность и высокую надёжность полученных результатов.

С помощью метода in-situ‑голографии электронов вне оси исследовательская группа впервые на международном уровне непосредственно наблюдала формирование наноразмерных проводящих нитевидных путей внутри отдельной наночастицы. В включённом состоянии устройства электронные голограммы чётко выявили область с низким потенциалом, распространяющуюся наружу от крошечного контактного узла, что резко контрастирует с равномерным распределением высокого потенциала в выключенном состоянии. Исследование подтвердило, что по мере увеличения управляющего тока эти проводящие пути проходят процесс, начинаясь с корнеобразования у краёв и постепенно расширяясь внутрь, в конечном счёте формируя эффективные каналы, обеспечивающие транспорт больших токов. Данное открытие не только предоставляет ключевые экспериментальные данные, подтверждающие давно обсуждаемую физическую природу овонического порогового переключения, но и даёт важные теоретические ориентиры для дальнейшего развития сверхмалоразмерных ячеек памяти на основе фазовых переходов.

Компания ZEPTOOLS, являясь китайским производителем высококачественных прецизионных приборов, является ведущим поставщиком решений для in‑situ‑характеризации с использованием электронной микроскопии. Серия решений PicoFemto для in‑situ‑характеризации на основе просвечивающей электронной микроскопии последовательно обеспечивала техническую поддержку важнейших научных достижений пользователей как в Китае, так и за рубежом. На приведённом ниже рисунке показано устройство‑держатель образца для in‑situ‑ЭМП компании ZEPTOOLS, применённое в данном научном достижении: