Sauerstoffleerstellen: Wie ein Baufehler die Speicherchips der Zukunft ermöglicht

Ein winziger Fehler im Materialaufbau galt in der Chipfertigung bislang als Problem. Nun zeigt sich, dass genau diese scheinbare Schwäche der Schlüssel zu effizienteren Datenspeichern sein kann. Eine neue Beobachtung stellt alte Gewissheiten der Materialforschung infrage.

Forscher:innen der südkoreanischen Seoul National University haben in Echtzeit beobachtet, wie das Speichermaterial Hafnium-Zirkonium-Oxid kristallisiert. Wie in einer im Fachmagazin Advanced Functional Materials veröffentlichten Studie zu lesen ist, haben winzige Lücken durch fehlende Sauerstoffatome im Material messbare Auswirkungen auf die Leistungsfähigkeit des Speichers. Das Team unter der Leitung von Min Hyuk Park und dem Erstautor Hyun Woo Jeong nutzte dafür hochauflösende Röntgenstrahlung im Pohang Accelerator Laboratory, um die Veränderungen während der Erhitzung und Abkühlung der Materialfilme zu verfolgen.

Hafnium-Zirkonium-Oxid, kurz HZO, wird derzeit als Material für nichtflüchtige Speicherchips untersucht, die Informationen bei geringerem Stromverbrauch speichern sollen. Solche ferroelektrischen Materialien erhalten ihren elektrischen Zustand auch dann aufrecht, wenn der Strom abgeschaltet wird, wodurch sie die digitalen Nullen und Einsen zuverlässig speichern. HZO ist dabei gut mit bestehenden Silizium-Halbleiterfertigungsmethoden kompatibel und behält seine Eigenschaften auch bei einer Dicke von wenigen Nanometern.

Das Material weist jedoch nicht automatisch die für das ferroelektrische Verhalten erforderliche orthorhombische Kristallstruktur auf. Direkt nach dem Auftragen auf den Wafer ist die atomare Struktur von Hafnium-Zirkonium-Oxid noch gänzlich ungeordnet und amorph.

Damit der Speicherchip elektrische Zustände stromlos halten kann, müssen sich die Atome in einem ganz bestimmten, asymmetrischen Gitter anordnen. Diese spezifische Anordnung wird als orthorhombische Phase bezeichnet.

Die Herausforderung dabei ist, dass diese Phase von Natur aus instabil ist. Überlässt man das Material sich selbst, bilden die Atome bevorzugt andere Kristallstrukturen, die sich aufgrund ihrer Symmetrie nicht für die Datenspeicherung eignen.

Die zunächst ungeordneten Filme müssen daher einer exakt temperierten Hitzebehandlung unterzogen werden, bei der sie sich in die richtige Kristallform verwandeln. Bislang galten Sauerstoffleerstellen, also fehlende Atome in der Gitterstruktur, als unerwünschte Fehler, die diese Kristallisation stören.

Die aktuellen Beobachtungen zeigen nun ein differenzierteres Bild des Einflusses dieser mikroskopischen Defekte. Proben mit einer geringeren Anzahl von Sauerstoffleerstellen begannen bereits bei Temperaturen um 370 Grad Celsius zu kristallisieren, was etwa 30 Grad unter den Werten für Proben mit vielen Fehlstellen liegt.

Die Atome konnten sich bei wenigen Leerstellen leichter neu anordnen, sodass die Kristalle besser wuchsen. Dadurch bildete sich die gewünschte orthorhombische Phase zuverlässig und stabil aus.

Für die Halbleiterfertigung hat die niedrigere Kristallisationstemperatur konkrete Vorteile.