Forskare från MIPT:s Center of Shared Research Facilities har hittat ett sätt att kontrollera syrekoncentrationen i tantaloxidfilmer som produceras genom atomskiktsavsättning. Dessa tunna filmer kan vara grunden för att skapa nya former av icke-flyktigt minne. Uppsatsen publicerades i tidskriften ACS tillämpade material och gränssnitt .

Eftersom datalagrings- och bearbetningslösningar är så centrala för modern teknik, många forskarlag och företag söker nya typer av datorminnen. Ett av deras främsta mål är att utveckla universellt minne – ett lagringsmedium som skulle kombinera den höga hastigheten hos RAM-minne med en flashenhets icke-flyktighet.

En lovande teknik för att skapa en sådan enhet är resistivt växlingsminne, eller ReRAM. Det fungerar genom att ändra motståndet över en minnescell via applicerad spänning. Eftersom varje cell har ett hög- och ett lågresistanstillstånd, den kan användas för att lagra information, t.ex., i form av nollor och ettor.

En ReRAM-cell kan realiseras som en metall-dielektrisk-metallstruktur. Oxider av övergångsmetaller såsom hafnium och tantal har visat sig användbara som den dielektriska komponenten i denna skiktade struktur. Att lägga spänning på en minnescell som är baserad på dessa material orsakar syremigrering, ändrar dess motstånd. Detta gör fördelningen av syrekoncentrationen i oxidfilmen till en avgörande parameter som bestämmer minnescellens funktionella egenskaper.

Dock, trots betydande framsteg inom ReRAM-utveckling, flashminnet visar inga tecken på att tappa mark. Anledningen till detta är att flashminne tillåter tredimensionell stapling av minnesceller, vilket möjliggör en mycket större lagringstäthet. I motsats till detta, syrebristfilmavsättningstekniker som normalt används i ReRAM-designer är inte tillämpliga på funktionella 3D-arkitekturer.

Det är där atomskiktsavsättning kommer in

I ett försök att hitta en alternativ teknik, MIPT-forskare vände sig till atomskiktsavsättning, en kemisk process genom vilken tunna filmer kan framställas på ytan av ett material. Under det senaste decenniet, ALD har blivit alltmer utbredd, med många tillämpningar inom nanoelektronik, optik, och den biomedicinska industrin. Det finns två stora fördelar med atomskiktsavsättning. Den första är oöverträffad kontroll över filmtjocklek:Det är möjligt att deponera filmer som är flera nanometer tjocka med ett fel på en bråkdel av en nanometer. Den andra fördelen är att ALD möjliggör konform beläggning av 3D-strukturer, vilket är problematiskt för de flesta av de för närvarande använda nanofilmavsättningsteknikerna.

I en ALD-process, ett substrat exponeras sekventiellt för två kemikalier som är kända som prekursorn och reaktanten. Det är den kemiska reaktionen mellan dessa två ämnen som ger ett beläggningsskikt. Förutom det element som används i beläggningen, prekursorer innehåller andra föreningar, t.ex. av kol eller klor – så kallade ligander. De underlättar reaktionen men, i en idealisk ALD-process, måste avlägsnas helt från den resulterande filmen när interaktionen med den andra kemikalien (reaktanten) har inträffat. Det är viktigt att välja rätt ämnen för användning i atomskiktsdeponering. Även om det visar sig vara svårt att avsätta oxidfilmer med variabel syrekoncentration av ALD, de är viktiga för ReRAM.

"Den svåraste delen med att deponera syrebristfilmer var att hitta rätt reaktanter som skulle göra det möjligt att både eliminera liganderna som finns i den metalliska prekursorn och kontrollera syrehalten i den resulterande beläggningen, " säger Andrey Markeev, som har en doktorsexamen i fysik och matematik och är en ledande forskare vid MIPT. "Vi uppnådde detta genom att använda en tantalprekursor, som i sig innehåller syre, och en reaktant i form av plasmaaktiverat väte." Att bekräfta de experimentella fynden visade sig vara en utmaning i sig. Så snart det experimentella provet avlägsnas från vakuumkammaren, som hyser den under ALD, och exponeras för atmosfären, detta orsakar modifieringar i det översta lagret av dielektrikumet, gör det omöjligt att upptäcka syrebrist med hjälp av analytiska tekniker som elektronspektroskopi, som riktar sig mot provets yta.

"I den här studien, vi behövde inte bara få fram filmerna som innehåller olika mängder syre utan också att bekräfta detta experimentellt, " säger Konstantin Egorov, doktorand vid MIPT. "Att göra detta, vårt team arbetade med ett unikt experimentkluster, som gjorde det möjligt för oss att odla filmer och studera dem utan att bryta vakuumet."