I ricercatori del Centro di strutture di ricerca condivise del MIPT hanno trovato un modo per controllare la concentrazione di ossigeno nei film di ossido di tantalio prodotti dalla deposizione di strati atomici. Questi film sottili potrebbero essere la base per creare nuove forme di memoria non volatile. Il documento è stato pubblicato sulla rivista Materiali e interfacce applicati ACS .

Poiché le soluzioni di archiviazione ed elaborazione dei dati sono così centrali per la tecnologia moderna, molti team di ricerca e aziende stanno cercando nuovi tipi di memoria per computer. Uno dei loro obiettivi principali è sviluppare una memoria universale, un supporto di memorizzazione che combini l'elevata velocità della RAM con la non volatilità di un'unità flash.

Una tecnologia promettente per la creazione di un tale dispositivo è la memoria di commutazione resistiva, o ReRAM. Funziona modificando la resistenza attraverso una cella di memoria tramite la tensione applicata. Poiché ogni cella ha uno stato di alta e bassa resistenza, può essere utilizzato per memorizzare informazioni, per esempio., sotto forma di zero e uno.

Una cella ReRAM può essere realizzata come una struttura metallo-dielettrico-metallo. Ossidi di metalli di transizione come afnio e tantalio si sono dimostrati utili come componente dielettrico di questa struttura a strati. L'applicazione di tensione a una cella di memoria basata su questi materiali provoca la migrazione di ossigeno, cambiando la sua resistenza. Ciò rende la distribuzione della concentrazione di ossigeno nel film di ossido un parametro cruciale che determina le proprietà funzionali della cella di memoria.

Però, nonostante i significativi progressi nello sviluppo di ReRAM, la memoria flash non mostra alcun segno di perdere terreno. La ragione di ciò è che la memoria flash consente l'impilamento tridimensionale delle celle di memoria, che consente una densità di archiviazione molto maggiore. In contrasto con questo, le tecniche di deposizione di film carenti di ossigeno normalmente utilizzate nei progetti ReRAM non sono applicabili alle architetture 3D funzionali.

È qui che entra in gioco la deposizione dello strato atomico

Nel tentativo di trovare una tecnica alternativa, I ricercatori del MIPT si sono rivolti alla deposizione di strati atomici, un processo chimico mediante il quale è possibile produrre film sottili sulla superficie di un materiale. Durante l'ultimo decennio, L'ALD è diventato sempre più diffuso, con numerose applicazioni in nanoelettronica, ottica, e l'industria biomedica. Ci sono due principali vantaggi nella deposizione di strati atomici. Il primo è un controllo senza precedenti sullo spessore del film:è possibile depositare film dello spessore di diversi nanometri con un errore di una frazione di nanometro. L'altro vantaggio è che ALD consente il rivestimento conforme di strutture 3D, che è problematico per la maggior parte delle tecniche di deposizione di nanofilm attualmente utilizzate.

In un processo ALD, un substrato è esposto in sequenza a due sostanze chimiche note come precursore e reagente. È la reazione chimica tra queste due sostanze che produce uno strato di rivestimento. Oltre all'elemento utilizzato nel rivestimento, precursori contengono altri composti, ad es. di carbonio o cloro, chiamati ligandi. Facilitano la reazione ma, in un processo ALD ideale, devono essere completamente rimossi dal film risultante una volta avvenuta l'interazione con l'altra sostanza chimica (reagente). È fondamentale scegliere le sostanze giuste per l'uso nella deposizione di strati atomici. Sebbene risulti difficile depositare film di ossido con concentrazione di ossigeno variabile mediante ALD, sono essenziali per ReRAM.

"La parte più difficile nel depositare film carenti di ossigeno è stata trovare i giusti reagenti che avrebbero permesso sia di eliminare i ligandi contenuti nel precursore metallico che di controllare il contenuto di ossigeno nel rivestimento risultante, "dice Andrey Markeev, che ha un dottorato di ricerca in fisica e matematica ed è uno dei principali ricercatori del MIPT. "Abbiamo raggiunto questo obiettivo utilizzando un precursore del tantalio, che di per sé contiene ossigeno, e un reagente sotto forma di idrogeno attivato dal plasma." Confermare i risultati sperimentali si è rivelata una sfida in sé. Non appena il campione sperimentale viene rimosso dalla camera a vuoto, che lo ospita durante ALD, ed esposto all'atmosfera, questo provoca modifiche nello strato superiore del dielettrico, rendendo impossibile rilevare la carenza di ossigeno utilizzando tecniche analitiche come la spettroscopia elettronica, che colpiscono la superficie del campione.

"In questo studio, avevamo bisogno non solo di ottenere i film contenenti diverse quantità di ossigeno ma anche di confermarlo sperimentalmente, "dice Konstantin Egorov, uno studente di dottorato al MIPT. "Per fare questo, il nostro team ha lavorato con un cluster sperimentale unico, che ci ha permesso di coltivare film e studiarli senza rompere il vuoto".