Исследовательская микросхема во время статистических исследований матриц устройств памяти на основе HfO2
В 2025 году лаборатория функциональных материалов и устройств для наноэлектроники Института квантовых технологий МФТИ отчиталась об успешном испытании, совместно с партнерами — российскими разработчиками микросхем и полупроводниковыми «фабриками» промышленных прототипов энергонезависимой памяти на новых сегнетоэлектриках. При общем состоянии российской микроэлектроники каждый такой шаг можно считать достижением, и это достойно своей истории.
Сейчас повсеместно мы имеем дело с памятью на МОП-транзисторах (металл-оксид-полупроводник). До ее появления информация из процессора хранилась на магнитных сердечниках, которые использовали эффект магнитного гистерезиса. В начале 1950-х Дадли Аллен Бак предложил альтернативу — сегнетоэлектрическую энергонезависимую память. Будучи аспирантом Массачусетского технологического института, он защитил магистерскую диссертацию под названием «Сегнетоэлектрики для хранения и коммутации цифровой информации».
В 1990-е на рынке появилась память на сегнетоэлектриках FRAM (ferroelectric random access memory). Такими были, например, карты памяти для Playstation 2, но серьезным конкурентом энергозависимой DRAM на диэлектрических конденсаторах технология не стала: она использует перовскитные сегнетоэлектрики, которые не используются в других областях микроэлектроники. Но важнее оказалось то, что эти материалы эффективно справляются со своими функциями только при сравнительно большой (~100 нм) толщине слоя, и устройства на их базе оказываются слишком велики, и, стало быть, такая память имеет недостаточную емкость для современных стандартов потребительской электроники.
Объем рынка сегнетоэлектрической памяти оценивается в $350 млн в год (для сравнения: в 2024 году объем мирового рынка памяти DRAM был $115,89 млрд). Преимущества FRAM по сравнению с энергонезависимой флеш-памятью, такие как быстрая запись, гораздо большее число циклов перезаписи, меньшее энергопотребление, делают ее выгодной для записи и хранения небольшого объема, но часто меняющихся данных и показаний датчиков с минимальным энергопотреблением, например в портативных устройствах и IoT, 3D-принтерах, промышленной электронике.
Начало
Возможность покинуть свою узкую нишу появилась у сегнетоэлектриков в 2011 году, когда немецкие ученые Мюллер и Бёске (T. Boscke, J. Muller) показали, что метастабильная кристаллическая фаза с сегнетоэлектрическим свойствами может быть сформирована в пленках оксида гафния, легированного SiO2, толщиной около 10 нм. «Сегнетоэлектрический оксид гафния идеально подходит для сегнетоэлектрических полевых транзисторов и конденсаторов благодаря своей превосходной совместимости с кремниевой технологией»,— написали они в своей пионерской статье.
Оксид гафния используется при производстве микропроцессоров в качестве подзатворного диэлектрика МОП-транзисторов, а это уже полдела на пути к внедрению новой технологии в существующий техпроцесс. Неудивительно, что публикации на тему сегнетоэлектриков, которые стали в 10 раз меньше своих 100-нанометровых предшественников, моментально заинтересовали ученых и инженеров.
Среди них, например, была и группа Андрея Маркеева из Центра коллективного пользования уникальным научным оборудованием в области нанотехнологий МФТИ. К концу 2015 года ученым удалось вырастить сверхтонкие (2,5 нм) сегнетоэлектрические пленки из оксидов гафния и циркония — и это размер, который позволяет всерьез говорить о конкурентной энергонезависимой сегнетоэлектрической памяти.
2016 год, первая команда разработчиков. Слева направо: Андрей Зенкевич, затем Сергей Зарубин, Анна Черникова, Дмитрий Негров, Андрей Маркеев и Максим Козодаев после публикации результата первой в мире успешной попытки вырастить сегнетоэлектрический HfO2 толщиной всего 2,5 нм.
© Евгений Пелевин, пресс-служба МФТИ
Для роста пленки использовался метод атомно-слоевого осаждения, который в индустрии микроэлектроники используется с 2000-х годов. Метод хорош еще и тем, что позволяет растить функциональные слои в трехмерных структурах. В этот момент перед учеными замаячила перспектива вывести лабораторную разработку в реальную промышленность. На этом этапе к работе подключились коллеги из лаборатории функциональных материалов и устройств для наноэлектроники МФТИ и лаборатории перспективных концепций хранения данных.
Анастасия Чуприк, заведующая лабораторией перспективных концепций хранения данных МФТИ:
— Мюллер и Бёске сделали свое открытие еще в 2007 году. Но они работали в коммерческой компании, поэтому еще четыре года занимались патентованием и изготовлением макетов устройств памяти, так что научная публикация вышла только в 2011 году. Я хорошо помню, как в 2012 году на конференции обсуждали эту работу. Как всегда, некоторое время ушло на раскачку. Андрей Маркеев проявил настоящую научную интуицию: его группа, специализирующаяся на развитии метода атомно-слоевого осаждения (АСО), одной из первых повторила синтез этого материала — уже в 2014 году. Сегодня же подобные исследования ведутся десятками научных групп по всему миру.
Три типа памяти и мемристоры
Сегодня известных концепций сегнетоэлектрической памяти три:
- на конденсаторах (FRAM),
- на транзисторах (FeFET),
- на туннельных переходах.
FRAM — самая простая с точки зрения конструкции, по такому же принципу построена классическая DRAM-память. Конденсатор или заряжен или разряжен — значение соответствующего бита принимает либо 1, либо 0. Соответственно, при считывании состояния эта информация теряется, и чтобы она совсем не пропала, после цикла чтения должен идти новый цикл записи. Этой концепции 70 с лишним лет, и она до сих пор прекрасно работает в памяти DRAM.
В памяти на транзисторах FeFET информация при считывании не теряется («недеструктивное считывание») — так работает Flash-память, прогресс в масштабировании которой мы все видели своими глазами: совсем недавно в ходу были «флешки» на 128 МБ, сейчас точно в таком же корпусе умещается уже терабайт, а стоимость устройства осталась практически той же. С этой точки зрения, потенциал сегнетоэлектрической памяти на транзисторах также весьма велик: при размере одной ячейки ~20 нм (соизмеримом с доменами в сегнетоэлектрическом слое), можно рассчитывать на емкость ~10 Гбит, и при этом быстро (~10 нс) записывать информацию, иметь на много (4–5) порядков больший ресурс перезаписи, а энергопотребление в ~1000 раз ниже, чем у Flash.
Концепция сегнетоэлектрической памяти на туннельных переходах была предложена в 2006 году. Сегнетоэлектрики — изоляторы, они не проводят электрический ток. Однако если слой изолятора достаточно тонкий, электроны начинают «проскакивать» сквозь него благодаря эффекту квантового туннелирования. Вероятность туннелирования зависит от формы потенциального барьера (энергетической характеристики структуры), а «проскочившие» электроны образуют туннельный ток. Движение электронов в этом случае напоминает бег с препятствиями, а величина этого препятствия определяется направлением вектора спонтанной поляризации, который меняет форму потенциального барьера. Запись информации производится подачей напряжения на электроды, между которыми заключен сверхтонкий сегнетоэлектрик, а считывание — измерением туннельного тока. Такая память также может обладать исключительно высокой плотностью (малым размером ячеек памяти), скоростью записи и считывания, а также низким энергопотреблением.
Но и это еще не все. У сегнетоэлектрических туннельных переходов есть так называемые мемристорные свойства, то есть их проводимость зависит от амплитуды и числа импульсов приложенного напряжения (подобно тому, как проводимость в синапсах мозга зависит от амплитуды и частоты нервных импульсов-спайков). Такие свойства являются необходимым условием для создания электронных синапсов, которые могут быть использованы в нейроморфных вычислительных системах с принципиальной иной архитектурой, отдаленно напоминающей принципы работы человеческого мозга.
Подготовка к росту тонкопленочного слоя сегнетоэлектрического HfO2 на пластину кремния диаметром 200 мм методом атомно-слоевого осаждения в лаборатории Андрея Маркеева Центра коллективного пользования уникальным научным оборудованием в области нанотехнологий МФТИ.
© Станислав Любаускас, пресс-служба РНФ
Память на конденсаторах
Первым видом памяти на сегнетоэлектриках, разработкой которого занялись команды Маркеева, Зенкевича и Чуприк, стала память на конденсаторах (FRAM). Для этого необходимо было детально исследовать свойства выращиваемого группой Маркеева материала. Чтобы перейти из лаборатории в промышленность, новое устройство должно как минимум не уступать по ключевым характеристикам уже существующим. Для памяти это:
- время доступа,
- срок хранения,
- ресурс перезаписи,
- энергопотребление.
Время доступа у кремниевого стандарта DRAM — менее 10 нс, а у Flash — 20–70 нс, и у новой памяти оно должно быть по возможности сопоставимо. Далее — время хранения, созданная в конце прошлого века память на перовскитных сегнетоэлектриках может хранить информацию 10 лет без перезаписи (на это ушла пара десятков лет разработок), но достичь такого же результата с использованием нового сегнетоэлектрика на основе HfO2 оказалось сложной технической задачей. Следующий критерий — ресурс, то есть максимальное число циклов перезаписи. Для замены энергозависимой DRAM на энергонезависимую FRAM это число должно быть ~1014, но до этого пока далеко, для СЭ-HfO2 это ~109.
Анастасия Чуприк:
— Нам предстояло определить условия синтеза пленок, обеспечивающие высокую остаточную поляризацию — ключевой параметр, определяющий величину «окна памяти». Параллельно требовалось добиться низких рабочих напряжений для минимизации энергопотребления, а также обеспечить другие критически важные функциональные характеристики: длительное время хранения информации, высокий ресурс переключений и быстродействие.
Каждая из этих характеристик требовала отдельной серии исследований. По масштабу работы это, условно, одна характеристика — одна кандидатская диссертация. При этом все целевые параметры должны были превосходить показатели flash-памяти — только в этом случае разработка могла представлять интерес для промышленности.
К началу 2018 года эксперименты, проведенные коллективом, позволили детально описать процесс переключения электрической поляризации в легированном оксиде гафния. Полученные данные впервые продемонстрировали существование у этого класса материалов наноразмерных доменов, то есть областей сегнетоэлектрика с определенной поляризацией. Была также экспериментально подтверждена перестройка кристаллической решетки оксида гафния в результате воздействия внешнего электрического поля.
Таким образом, ученые выяснили и описали микроскопическую природу сегнето- и пьезоэлектрических свойств этого тонкопленочного материала. Также были детально изучены механизмы, ответственные за переключение поляризации, и за наблюдаемые эффекты «пробуждения» и «старения» сегнетоэлектриков (то есть относительного увеличения и снижения величины остаточной поляризации).
Затем нужно было решить проблему надежности устройств. Эффекты «усталости» должны быть минимизированы, если не полностью устранены, прежде чем новая технология сможет выйти на рынок. Оказалось, что характеристики сегнетоэлектрических устройств на основе оксида гафния в течение их жизненного цикла критически зависят от наличия точечных дефектов. К 2021 году научная группа разработала физические принципы повышения надежности. Ученые разобрались с тем, как теряются состояния в FRAM-ячейках, как идет деградация, и придумали систему тестирования и методы минимизации деградации.
Принципиальная схема проведенного синхротронного эксперимента по измерению распределения электрического потенциала в наноразмерных слоях сегнетоэлектрического HfO2-ZrO2. Специально созданный прототип ячейки памяти был помещен в сверхвысоковакуумную камеру электронного спектрометра, при этом он был подключен к аппаратуре, контролирующей ее электрическое состояние и позволяющий переключать направление поляризации прямо под рентгеновским пучком. При скользящем (~0,5 градуса) падении сфокусированного рентгеновского излучения на поверхность ячейки можно добиться появления стоячей волны рентгена в структуре. Возбужденные этой волной фотоэлектроны фиксировались энергоанализатором, и сканирование по углу позволило восстановить профиль электрического потенциала по глубине слоя оксида гафния толщиной 10 нм.
© Nanoscale
После этого уже можно было перейти к созданию промышленных прототипов. Здесь к делу подключились промышленные партнеры, привлеченные Фондом перспективных исследований. С их помощью были изготовлены опытно-заводские образцы энергонезависимой памяти на основе сегнетоэлектрического HfO2.
Андрей Зенкевич, заведующий лабораторией функциональных материалов и устройств для наноэлектроники МФТИ:
— Путь от научного открытия до внедрения всегда непрост, и конечный результат никогда не гарантирован. Даже в случае успеха это занимает от 10 лет. Например, технология беспилотного вождения автомобиля была в основном разработана к 2004 году, а внедрена в практику в Калифорнии в 2024-м. Более близкий нам пример — магнитные диски на эффекте гигантского магнетосопротивления: открытие Альбер Ферт и Петер Грюнберг сделали в 1988 году, а первые коммерческие ГМС-головки для жестких дисков были выпущены в 1997 году.
Если взять тех же немцев из частной лаборатории NamLab (Дрезден, Германия), которые опубликовали свою статью про сегнетоэлектрические свойства оксида гафния в 2011-м (а впервые обнаружили свойства еще в 2007-м), создали стартап-компанию в 2015 году, но коммерческих устройств памяти они еще пока так и не сделали — ни они, никто другой в мире.
Первый этап для нас заключался в том, чтобы добиться хороших сегнетоэлектрических свойств в сверхтонких сплавных поликристаллических слоях HfO2-ZrO2, интегрировать их в конденсаторные структуры с материалами электродов, используемыми в промышленности (TiN), и продемонстрировать на таких одиночных «устройствах памяти» конкурентоспособные функциональные характеристики, не уступающие мировым аналогам.
Следующим шагом явилась демонстрация возможности создания работоспособных матриц таких сегнетоэлектрических устройств, в частности над процессором (который разрабатывался в рамках другого проекта ФПИ под руководством Дмитрия Негрова). Успех той демонстрации стал отправной точкой для проекта Фонда перспективных исследований по разработке демонстратора микросхемы сегнетоэлектрической энергонезависимой памяти на основе HfO2. Это потребовало вовлечения усилий всего коллектива в МФТИ, вместе с партнерами — разработчиками микросхем в Зеленограде (НИИМЭ) и Нижнем Новгороде (НИИИС им. Ю. Е. Седакова), а также промышленных предприятий микроэлектроники (ПАО «Микрон», НИИИС).
Важно отметить, что при запуске проекта на этих предприятиях еще не существовало технологии роста тонкопленочных слоев методом АСО, и поэтому процесс изготовления чипов предполагал перемещение кремниевых пластин с завода в МФТИ и обратно. Параллельно велись интенсивные исследования физических явлений, которые мешают нам получить требуемые функциональные характеристики, прежде всего времени хранения и ресурса перезаписи.
Сейчас эти проблемы в целом решены, и уже продемонстрирован промышленный прототип микросхемы памяти на основе HfO2. У него пока ограниченная емкость, да и характеристики требуют дальнейшего улучшения. Но уже более или менее понятен путь, как этого добиться, и есть достаточные основания надеяться, что проект будет успешно завершен в 2026 году.
