Pesquisadores do Centro de Instalações Compartilhadas de Pesquisa do MIPT descobriram uma maneira de controlar a concentração de oxigênio em filmes de óxido de tântalo produzidos pela deposição da camada atômica. Esses filmes finos podem ser a base para a criação de novas formas de memória não volátil. O artigo foi publicado na revista Materiais e interfaces aplicados ACS .

Como as soluções de armazenamento e processamento de dados são essenciais para a tecnologia moderna, muitas equipes de pesquisa e empresas estão buscando novos tipos de memória de computador. Um de seus principais objetivos é desenvolver memória universal - um meio de armazenamento que combinaria a alta velocidade da RAM com a não-volatilidade de uma unidade flash.

Uma tecnologia promissora para a criação de tal dispositivo é a memória de comutação resistiva, ou ReRAM. Ele funciona alterando a resistência em uma célula de memória por meio da voltagem aplicada. Uma vez que cada célula tem um estado de alta e baixa resistência, pode ser usado para armazenar informações, por exemplo., na forma de zeros e uns.

Uma célula ReRAM pode ser realizada como uma estrutura metal-dielétrica-metal. Óxidos de metais de transição, como háfnio e tântalo, provaram ser úteis como o componente dielétrico dessa estrutura em camadas. Aplicar voltagem a uma célula de memória baseada nesses materiais causa a migração de oxigênio, mudando sua resistência. Isso torna a distribuição da concentração de oxigênio no filme de óxido um parâmetro crucial que determina as propriedades funcionais da célula de memória.

Contudo, apesar dos avanços significativos no desenvolvimento de ReRAM, a memória flash não mostra sinais de perder terreno. A razão para isso é que a memória flash permite o empilhamento de células de memória tridimensional, o que permite uma densidade de armazenamento muito maior. Em contraste com isso, As técnicas de deposição de filme com deficiência de oxigênio normalmente usadas em projetos ReRAM não são aplicáveis ​​a arquiteturas 3-D funcionais.

É aí que entra a deposição da camada atômica

Em uma tentativa de encontrar uma técnica alternativa, Os pesquisadores do MIPT voltaram-se para a deposição da camada atômica, um processo químico pelo qual filmes finos podem ser produzidos na superfície de um material. Durante a última década, ALD está cada vez mais difundido, com inúmeras aplicações em nanoeletrônica, ótica, e a indústria biomédica. Existem duas vantagens principais na deposição da camada atômica. O primeiro é o controle sem precedentes sobre a espessura do filme:é possível depositar filmes com vários nanômetros de espessura com um erro de uma fração de nanômetro. A outra vantagem é que o ALD permite o revestimento conformado de estruturas 3-D, o que é problemático para a maioria das técnicas de deposição de nanofilme usadas atualmente.

Em um processo ALD, um substrato é sequencialmente exposto a dois produtos químicos conhecidos como o precursor e o reagente. É a reação química entre essas duas substâncias que produz uma camada de revestimento. Além do elemento usado no revestimento, precursores contêm outros compostos, por exemplo, de carbono ou cloro - chamados ligantes. Eles facilitam a reação, mas, em um processo ALD ideal, devem ser completamente removidos do filme resultante, uma vez que a interação com o outro produto químico (reagente) tenha ocorrido. É vital escolher as substâncias certas para uso na deposição da camada atômica. Embora seja difícil depositar filmes de óxido com concentração variável de oxigênio por ALD, eles são essenciais para ReRAM.

"A parte mais difícil em depositar filmes deficientes em oxigênio foi encontrar os reagentes certos que tornariam possível tanto eliminar os ligantes contidos no precursor metálico quanto controlar o conteúdo de oxigênio no revestimento resultante, "diz Andrey Markeev, que possui um PhD em física e matemática e é um dos principais pesquisadores do MIPT. "Conseguimos isso usando um precursor de tântalo, que por si só contém oxigênio, e um reagente na forma de hidrogênio ativado por plasma. "A confirmação dos achados experimentais acabou sendo um desafio em si. Assim que a amostra experimental é removida da câmara de vácuo, que o abriga durante ALD, e exposto à atmosfera, isso causa modificações na camada superior do dielétrico, tornando impossível detectar a deficiência de oxigênio usando técnicas analíticas, como espectroscopia eletrônica, que visam a superfície da amostra.

"Neste estudo, precisávamos não apenas obter os filmes contendo diferentes quantidades de oxigênio, mas também confirmar isso experimentalmente, "diz Konstantin Egorov, um aluno de doutorado no MIPT. "Para fazer isso, nossa equipe trabalhou com um cluster experimental único, o que nos permitiu cultivar filmes e estudá-los sem quebrar o vácuo. "