Ученые лаборатории перспективных концепций хранения памяти МФТИ придумали, как измерять механическое давление, меняющее свойства материалов, используемых в микросхемах нового поколения. Это открытие позволяет решить одну из ключевых проблем для развития технологии постоянной компьютерной памяти на основе сегнетоэлектричества. Исследование опубликовано в журнале Applied Physics Letters. Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (соглашение 075-03-2026-305, проект ФСМГ-2025-0025).
В 2011 году впервые вышла статья, описывающая сегнетоэлектрические свойства оксида гафния (HfO2). Открытие было важным для микроэлектроники. Ведь помимо преимуществ других известных диэлектриков, применяемых в микроэлектронике, оксид гафния обладает характеристиками, которые 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 нанометров, помещаемые между металлическими электродами конденсатора КМОП-микросхем.
В основе этой новой технологии постоянной памяти лежит феномен сегнетоэлектричества — свойства, возникающего в некоторых материалах при определенном расположении атомов, из которых они состоят. 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.
Однако сегнетоэлектрическая фаза в оксиде гафния нестабильна. При синтезе пленка стремится перейти в обычное, несегнетоэлектрическое состояние. Задача ученых — стабилизировать нужную фазу. Для стабилизации сегнетоэлектрической фазы есть рецепт, состоящий из нескольких компонентов.
Во-первых, пленки HfO₂ должны быть очень тонкими. Во-вторых, нужен отжиг при высокой температуре, чтобы сформировалась кристаллическая решетка: ведь изначально атомы вещества расположены хаотически, это называется аморфной фазой вещества.
Для кристаллизации объемного и чистого оксида гафния потребовалась бы 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 третьим компонентом служит 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»,— объяснила Анастасия Чуприк, эксперт НЦМУ «Центр перспективной микроэлектроники», заведующая лабораторией перспективных концепций хранения данных МФТИ.
После остывания пленка оказывается в растянутом состоянии. Из-за разницы теплового расширения HfO₂ и материала электрода при отжиге в пленке возникают огромные сжимающие напряжения. Интуитивно ясно, что это напряжение влияет на свойства материала, но как именно, 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»,— говорит Илья Марголин, младший научный сотрудник лаборатории перспективных концепций хранения данных МФТИ.
Таким образом, 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 научный коллектив лаборатории перспективных концепций хранения памяти МФТИ разработал технологию и изготовил уникальные образцы сегнетоэлектрической памяти на гибкой полимерной подложке, а также автоматизированную установку для измерения влияния напряжения.
Установка включает в себя неподвижный и подвижный стол, к которому крепится тензометрический датчик для мониторинга деформации образца и растягивающего давления в реальном времени — точно такой же, как в прецизионных весах. Один край образца жестко фиксируется, второй отодвигается с помощью мотора, растягивая материал. Датчик фиксирует точное напряжение, а электроника — изменение характеристик памяти. Такая архитектура полностью исключает паразитные эффекты, неизбежные на жестких подложках.
Прямые эксперименты подтвердили гипотезу научной группы МФТИ о том, что механическое напряжение уменьшает сегнетоэлектрические и увеличивает диэлектрические свойства оксида гафния в основном за счет модификации параметров решетки и электронной конфигурации материала.
«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.
Научная статья: Ilya Margolin, Vitalii Mikheev, Elizaveta Kalika, Anastasia Chouprik; Stress-modulated ferroelectricity and dielectric response in HfO2; Applied Physics Letters. 128, 122903 (2026); DOI: 10.1063/5.0315241
Подробнее: Научный центр мирового уровня «Центр перспективной микроэлектроники»
занимается развитием инновационных технологий на основе новых функциональных материалов разной размерности для создания электронных и фотонных устройств нового поколения. Основным заказчиком результатов его работы выступают предприятия отечественной микроэлектронной отрасли.
Приоритетами работы НЦМУ «Центр перспективной микроэлектроники» на ближайший период являются два глобальных направления: безопасность получения, хранения, передачи и обработки информации и технологии микроэлектроники и фотоники.
МФТИ является координатором созданного Научного центра мирового уровня «Центр перспективной микроэлектроники». Его участниками совместно с МФТИ являются ВНИИА им. Н. Л. Духова, ИНМЭ РАН, ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН. Со стороны индустрии основными партнерами выступают такие техногиганты и ключевые промышленные компании, как ГК «Элемент», АО «НПО „Орион”» Госкорпорации «Ростех», ПАО «Газпром нефть».
