Физики МФТИ впервые измерили влияние механического давления на свойства энергонезависимой памяти

Ученые лаборатории перспективных концепций хранения памяти МФТИ разработали метод, позволяющий напрямую измерять влияние механического давления на свойства материалов для микросхем нового поколения. По словам исследователей, это поможет решить одну из ключевых проблем в создании энергонезависимой памяти на основе сегнетоэлектриков.

В основе технологии постоянной памяти лежит феномен сегнетоэлектричества — свойства, возникающего в некоторых материалах при определенном расположении атомов. В сегнетоэлектрической фазе атомы вещества образуют кристаллическую решетку, где в каждой отдельной ячейке решетки заключены противоположно заряженные ионы, смещенные относительно центра ячейки.

Это состояние называется спонтанной поляризацией. Под действием внешнего поля ионы перескакивают в другое устойчивое положение — вверх или вниз. Эти два состояния кодируют 0 и 1. Ключевым свойством сегнетоэлектриков является то, что после выключения поля положение ионов сохраняется. Именно на этом физическом свойстве основана энергонезависимая характеристика сегнетоэлектрической памяти: при внезапном отключении питания данные не теряются.

В 2011 году вышла статья, описывающая сегнетоэлектрические свойства оксида гафния (HfO2). Вещество обладает характеристиками, которые, по мнению ученых, в перспективе позволят создать новое поколение чипов постоянной памяти. Специалисты прогнозируют, что новые чипы будут значительно превосходить существующие технологии хранения данных по таким параметрам, как энергопотребление, скорость и ресурс, то есть срок эксплуатации.

Оксид гафния можно использовать в КМОП (комплементарной структуре металл—оксид—полупроводник базовом элементе современных интегральных микросхем). Также из HfO2 можно получать очень тонкие пленки толщиной 4–20 нм, помещаемые между металлическими электродами конденсатора КМОП-микросхем.

Однако сегнетоэлектрическая фаза в оксиде гафния нестабильна. При синтезе пленка стремится перейти в обычное состояние. Задача ученых — стабилизировать нужную фазу. Для стабилизации сегнетоэлектрической фазы нужно, во-первых, чтобы пленки HfO₂ были очень тонкими, а во-вторых, нужен отжиг при высокой температуре, чтобы сформировалась кристаллическая решетка: ведь изначально атомы вещества расположены хаотически.

Для кристаллизации объемного чистого оксида гафния требуется температура 1700 ℃. Однако кремниевый чип, на котором лежит пленка HfO₂ при отжиге, выдерживает максимальную температуру 1400 ℃. Кроме того, создание таких высоких температур сопряжено с огромными техническими сложностями. Поэтому третье условие — легирование — добавление вещества с более крупными атомами, которые создают внутреннее напряжение решетки. Легирование позволяет снизить температуру отжига до 400–600 ℃.

«В вакуумную камеру поочередно подаются газообразные прекурсоры — соединения гафния и циркония с органическими лигандами, ученые называют их «хвостами», а также газ-окислитель — водяной пар. На поверхности подложки идет химическая реакция: формируется тончайший слой оксида гафния, легированного цирконием, а органические «хвосты» отщепляются и удаляются продувочным газом. Повторение циклов позволяет наращивать пленку — один атомный слой за другим — с исключительной однородностью и точной толщиной. После осаждения подложка помещается в печь для быстрого термического отжига, который придает пленке нужную кристаллическую структуру и функциональные свойства», — рассказала один из авторов исследования, эксперт НЦМУ «Центр перспективной микроэлектроники», заведующая лабораторией перспективных концепций хранения данных МФТИ Анастасия Чуприк.

  

Источник: Официальный ресурс Министерства образования и науки Российской Федерации