Forscher bastseln an Arbeitsspeicher mit Langzeitgedächtnis

Forscher des Max-Planck-Instituts für Mikrostrukturphysik haben heute einen Durchbruch für die Entwicklung der nächsten Generation von Gigabit-Computerspeichern vermeldet. Ihnen ist es erstmals gelungen, dünne Schichten aus dem ferroelektrischen Material Lanthan-Wismut-Titan-Oxid auf Silizium-Wafern in einer besonders günstigen Kristallorientierung aufzubringen und damit die Grundlage zu schaffen für Computerchips mit einem sehr großen Speichervermögen pro Quadratzentimeter.

Die Arbeitsspeicher auch der neuesten Personalcomputer und Notebooks – die dynamic random access memories (DRAMs) – haben nur ein extrem kurzes Gedächtnis, das einige Hundert Male in der Sekunde elektronisch aufgefrischt werden muss. Deshalb gehen alle auf dem Bildschirm gezeigten Informationen sofort verloren, sobald der Computer von der Stromversorgung getrennt wird. Nach dem Wiedereinschalten müssen bekanntermaßen alle Informationen wieder mühsam von der Festplatte geladen werden, sofern sie zuvor rechtzeitig gespeichert worden waren.

„Das ist ein zeitaufwändiger und lästiger Prozess“, begründen die Wissenschaftler ihren Forschungsaufwand. Nichtflüchtige Festkörperspeicher seien deshalb heute eines der interessantesten Forschungs- und Entwicklungsziele in der Halbleitertechnologie. Sie sollen die einmal eingespeicherte Information nicht wieder verlieren und damit das in den dynamischen Festkörperspeichern der integrierten Mikroelektronik (DRAMs) notwendige ständige Wiederauffrischen der Information überflüssig machen. Auch das Booten eines PC wäre dann nicht mehr nötig.

Die aussichtsreichsten nichtflüchtigen Speicherbausteine – die magnetic random access memories (MRAMs) und ferroelectric random access memories (FRAMs) – beruhen laut den Forschern auf ferromagnetischen und ferroelektrischen Materialien. Um solche nichtflüchtigen Speicherbausteine in die Silizium-Mikroelektronik integrieren zu können, müssten sie als dünne Schichten auf Silizium-Wafern hergestellt werden. Doch einem Einsatz solcher nichtflüchtigen Speicherbausteine mit Speicherkapazitäten im Gigabit-Bereich stünden derzeit noch eine Reihe von Problemen im Wege, nach deren Lösung Festkörperphysiker weltweit intensiv forschen.

Eines der aussichtsreichsten Materialien für nichtflüchtige Speicherbausteine aus ferroelektrischen dünnen Schichten ist das Lanthan-Wismut-Titan-Oxid. Bisher sei es jedoch nicht gelungen, dieses Material als dünne Schicht so auf Silizium-Wafern abzuscheiden, dass die guten Speichereigenschaften des Materials auch in der dünnen Schicht erhalten blieben. Das liege daran, dass diese Schichten stark dazu neigen, in einer für die Anwendung „falschen“ Kristallorientierung zu wachsen. Die besonderen Speichereigenschaften seien nämlich an eine bestimmte Kristallorientierung gebunden, die so genannte a-Achsen-Orientierung, die bisher in dünnen Schichten nicht verwirklicht werden konnte.

Einer Arbeitsgruppe des Max-Planck-Instituts für Mikrostrukturphysik in Halle (Saale) um Dietrich Hesse und Ho Nyung Lee ist es nun gelungen, einen Weg zu finden, auf Silizium-Wafern dünne Lanthan-Wismut-Titan-Oxid-Schichten herzustellen, die zu 99 Prozent über die gewünschte a-Achsen-Orientierung verfügen. Dieser Erfolg gelang ihnen vor allem durch die Kombination einer 60 Nanometer dicken Pufferschicht aus Yttrium-Zirkon-Oxid mit einer darüber befindlichen, elastisch gedehnten, etwa zehn Nanometer dünnen Elektrodenschicht aus Strontium-Ruthenium-Oxid. Darüber hinaus verwendeten die Wissenschaftler bei der Herstellung der Schichten mit einem Laserverfahren einen besonders hohen Sauerstoffdruck, der für die richtige chemische Zusammensetzung dieser Schichten sorgt.