Onderzoekers van het Centre of Shared Research Facilities van MIPT hebben een manier gevonden om de zuurstofconcentratie in tantaaloxidefilms geproduceerd door afzetting van atomaire lagen te regelen. Deze dunne films zouden de basis kunnen vormen voor het creëren van nieuwe vormen van niet-vluchtig geheugen. Het artikel is gepubliceerd in het tijdschrift ACS toegepaste materialen en interfaces .

Omdat oplossingen voor gegevensopslag en -verwerking zo centraal staan ​​in de moderne technologie, veel onderzoeksteams en bedrijven streven naar nieuwe soorten computergeheugen. Een van hun belangrijkste doelen is het ontwikkelen van universeel geheugen - een opslagmedium dat de hoge snelheid van RAM combineert met de niet-vluchtigheid van een flashstation.

Een veelbelovende technologie voor het maken van een dergelijk apparaat is resistief schakelgeheugen, of ReRAM. Het werkt door de weerstand over een geheugencel te veranderen via aangelegde spanning. Aangezien elke cel een hoge- en een lage-weerstandsstatus heeft, het kan worden gebruikt om informatie op te slaan, bijv. in de vorm van nullen en enen.

Een ReRAM-cel kan worden gerealiseerd als een metaal-diëlektrisch-metaalstructuur. Oxiden van overgangsmetalen zoals hafnium en tantaal zijn nuttig gebleken als de diëlektrische component van deze gelaagde structuur. Het toepassen van spanning op een geheugencel die op deze materialen is gebaseerd, veroorzaakt zuurstofmigratie, zijn weerstand veranderen. Dit maakt de verdeling van de zuurstofconcentratie in de oxidefilm een ​​cruciale parameter die de functionele eigenschappen van de geheugencel bepaalt.

Echter, ondanks aanzienlijke vooruitgang in de ontwikkeling van ReRAM, flash-geheugen vertoont geen tekenen van terreinverlies. De reden hiervoor is dat flash-geheugen driedimensionale geheugencelstapeling mogelijk maakt, wat een veel grotere opslagdichtheid mogelijk maakt. In tegenstelling tot dit, zuurstofarme filmafzettingstechnieken die normaal in ReRAM-ontwerpen worden gebruikt, zijn niet van toepassing op functionele 3D-architecturen.

Dat is waar de afzetting van atomaire lagen om de hoek komt kijken

In een poging om een ​​alternatieve techniek te vinden, MIPT-onderzoekers wendden zich tot atomaire laagafzetting, een chemisch proces waarmee dunne films op het oppervlak van een materiaal kunnen worden geproduceerd. Gedurende het laatste decennium, ALD wordt steeds meer verspreid, met tal van toepassingen in nano-elektronica, optiek, en de biomedische industrie. Er zijn twee grote voordelen aan atomaire laagafzetting. De eerste is ongekende controle over filmdikte:het is mogelijk om films van enkele nanometers dik te deponeren met een fout van een fractie van een nanometer. Het andere voordeel is dat ALD conforme coating van 3D-structuren mogelijk maakt, wat problematisch is voor de meeste van de momenteel gebruikte nanofilmdepositietechnieken.

In een ALD-proces, een substraat wordt achtereenvolgens blootgesteld aan twee chemicaliën die bekend staan ​​als de voorloper en de reactant. Het is de chemische reactie tussen deze twee stoffen die zorgt voor een coatinglaag. Naast het element dat in de coating wordt gebruikt, voorlopers bevatten andere verbindingen, bijv. van koolstof of chloor, liganden genoemd. Ze vergemakkelijken de reactie, maar in een ideaal ALD-proces, moeten volledig van de resulterende film worden verwijderd zodra de interactie met de andere chemische stof (reactant) heeft plaatsgevonden. Het is van vitaal belang om de juiste stoffen te kiezen voor gebruik bij afzetting van atomaire lagen. Hoewel het moeilijk blijkt om oxidefilms met variabele zuurstofconcentratie af te zetten door ALD, ze zijn essentieel voor ReRAM.

"Het moeilijkste bij het afzetten van zuurstofarme films was het vinden van de juiste reactanten die het mogelijk zouden maken om zowel de liganden in de metalen voorloper te elimineren als het zuurstofgehalte in de resulterende coating te regelen, " zegt Andrey Markeev, die is gepromoveerd in natuurkunde en wiskunde en een vooraanstaand onderzoeker is bij MIPT. "We hebben dit bereikt door een voorloper van tantaal te gebruiken, die op zichzelf zuurstof bevat, en een reactant in de vorm van plasma-geactiveerde waterstof." Het bevestigen van de experimentele bevindingen bleek een uitdaging op zich. Zodra het experimentele monster uit de vacuümkamer wordt verwijderd, die het tijdens ALD herbergt, en blootgesteld aan de atmosfeer, dit veroorzaakt wijzigingen in de bovenste laag van het diëlektricum, het onmogelijk maken om zuurstoftekort op te sporen met behulp van analytische technieken zoals elektronenspectroscopie, die gericht zijn op het oppervlak van het monster.

"In dit onderzoek, we moesten niet alleen de films verkrijgen die verschillende hoeveelheden zuurstof bevatten, maar ook om dit experimenteel te bevestigen, " zegt Konstantin Egorov, een promovendus aan het MIPT. "Om dit te doen, ons team werkte met een uniek experimenteel cluster, waardoor we films konden kweken en bestuderen zonder het vacuüm te verbreken."