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.

  

После остывания пленка оказывается в растянутом состоянии. Из-за разницы теплового расширения HfO₂ и материала электрода при отжиге в пленке возникают огромные сжимающие напряжения. Как именно это напряжение влияет на свойства материала, долго оставалось неясным.

Традиционные методы измерения механического напряжения, например, рентгеновская дифракция, рассчитывают напряжение по размерам решетки. Но поскольку параметры недеформированной решетки не известны достоверно, эти методы косвенны и неточны. Альтернативный подход — изгиб жесткой подложки из кремния или слюды с пленкой на специальном стенде — тоже дает лишь теоретическую оценку.

«Результат механического давления здесь смешивается со множеством других одновременных факторов: изменением фазового состава, перенаправлением полярных осей и эффектами на границах слоев. Из всего этого невозможно вычленить вклад механического давления и рассмотреть его в чистом виде», — объяснил еще один автор работы, младший научный сотрудник лаборатории перспективных концепций хранения данных МФТИ Илья Марголин.

Задача, которую поставила перед собой научная группа Физтеха, состояла в разработке такого метода измерения, который смог бы прямым образом установить влияние напряжения на «запоминающие» свойства HfO₂. Для проведения непосредственных измерений сегнетоэлектрических и диэлектрических свойств под механическим напряжением авторы разработали технологию и изготовили автоматизированную установку для измерения влияния напряжения, а также уникальные образцы сегнетоэлектрической памяти на гибкой полимерной подложке.

«С помощью прямых экспериментов и расчетов мы продемонстрировали, что механическое напряжение в первую очередь изменяет кристаллическую структуру HfO₂, что, в свою очередь, модифицирует его сегнетоэлектрические и диэлектрические свойства. Этот результат подтверждает, что внутреннее давление, неизбежно возникающее при отжиге, служит фундаментальным механизмом, контролирующим сегнетоэлектрические и диэлектрические свойства в HfO₂», — прокомментировала Анастасия Чуприк.

Эксперименты подтвердили гипотезу авторов о том, что механическое напряжение уменьшает сегнетоэлектрические и увеличивает диэлектрические свойства оксида гафния в основном за счет модификации параметров решетки и электронной конфигурации материала.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России.