Современным электронным продуктам требуется надежная и долговечная энергонезависимая память. Привычная флеш-память приблизилась к своему пределу, поэтому создание перспективных типов полупроводниковой памяти для новых вычислительных платформ — ключевое направление развития микро- и наноэлектроники.
Существует несколько видов энергонезависимой памяти. Один из претендентов на лидирующую технологию — резистивная память (ReRAM). Научная лаборатория НИИ Молекулярной электроники, возглавляемая Аскаром Резвановым, работает над адаптацией и интеграцией ReRAM-технологий в производство микроэлектронной продукции на территории России.
Наряду с индустриальным партнером лаборатории — АО «Элемент» (головной компанией микроэлектронного холдинга, созданного на базе активов ПАО АФК «Система» и «Ростеха») — ученые НИИМЭ являются одними из ведущих специалистов в этой сфере. При поддержке РНФ группа разрабатывает процессы атомно-слоевого осаждения с использованием отечественных материалов для современных технологий микроэлектроники.
// Как вы пришли в науку?
Мне со школы нравились физика и математика, и в итоге я поступил на факультет физической квантовой электроники в МФТИ. На третьем курсе, когда передо мной встал выбор области, в которую было бы интересно окунуться, я выбрал зеленоградский НИИМЭ в качестве базовой кафедры. На тот момент кафедра была довольно молодая: мой поток оказался всего третьим по счету. С первых дней обучения меня подхватил научный руководитель, который занимался разработками технологических процессов, позволяющих сделать из кремниевой пластины и разных технологических операций что-то работающее. Так я и вошел в тематику.
Ярким моментом учебы стала череда стажировок в Европе, в том числе в ведущем мировом центре по разработке технологий для микроэлектроники (Imec, Бельгия). Я оказался на переднем крае науки: вел исследования на лучшем оборудовании, на самых тонких процессах. За каждую из стажировок продолжительностью по три месяца я старался накопить наибольшее количество экспериментальных и теоретических результатов, чтобы по приезду написать статью. За период стажировок мне удалось окунуться и полностью внедриться в передовые технологии, получить ценные знания. Эти наработки я перенес в Россию и стал их дополнять с коллегами из других университетов.
// Расскажите про область ваших научных интересов. Что такое энергонезависимая память, для чего она нужна и в чем ее преимущества?
Простой и наглядный пример энергонезависимой памяти — это флешка. Пока устройство лежит в кармане, оно находится в режиме ожидания и не потребляет энергию. Как только вы вставляете флешку в компьютер, она выдает информацию. Главный недостаток флеш-памяти — в ограниченном ресурсе, то есть у них мало циклов перезаписи. В какой-то момент она просто перестанет открываться. Наша группа работает на перспективу и развивает технологию резистивной памяти, или ReRAM*, которая, в частности, может быть использована как альтернатива флеш-памяти.
Ее суть в том, что элементарная ячейка ReRAM хранит информацию в форме электрического сопротивления, а не в виде электрического заряда, как во флеш-памяти. Если у ячейки высокое сопротивление, то ей соответствует условный «ноль», а если низкое — «единица». Чтобы прочитать информацию, достаточно приложить небольшое напряжение и измерить сопротивление. Чтение данных не изменяет состояние ячейки, а чтобы записать данные, требуется особое воздействие.
Источник: Аскар Резванов
Основа ReRAM-ячейки — это структура «электрод — диэлектрик — электрод». В качестве диэлектрика могут выступать оксиды металлов. Механизм работы ячейки позволяет добиться больших скоростей чтения и записи, а также долговечности. У лабораторных экземпляров ReRAM 1012 циклов перезаписи, а также они могут непрерывно работать дольше десяти лет. Сегодня это направление очень активно развивается.
// На гранты РНФ вы развиваете два проекта, обозначенных как «Атом-О» и «Память-Р». В чем их суть?
В рамках проектов РНФ мы развиваем технологию и области применения метода атомно-слоевого осаждения (АСО), когда реагенты поочередно наносятся на подложку, а поверхностные химические реакции между ними приводят к образованию нужного покрытия. К примеру, в качестве реагентов для пленок в лабораториях и на производстве зачастую используются металлоорганические соединения (МОС).
Ранее их завозили из-за рубежа. Мы же нацелены на то, чтобы разработать процессы осаждения с использованием российских материалов и отечественного оборудования.
Потенциальный пул материалов для АСО велик, и в последнее время в нашей стране появляются лаборатории, которые занимаются их синтезом. Хорошие группы есть в Нижнем Новгороде и Новосибирске. Но у них ограничена или вовсе отсутствует база, где можно испытать реагенты в условиях, приближенных к производственным, а у нас в НИИМЭ есть необходимая инфраструктура, и было принято решение подать заявку на грант РНФ, чтобы апробировать эти материалы.
Сложность заключается в том, что не все перспективные материалы можно применить в России — у нас очень мало производств, к сожалению. Два передовых завода находятся в Зеленограде, а остальные только строятся или проектируются. Производители же готовы запустить к себе ограниченный набор материалов, чтобы избежать рисков. Линии по выпуску банковских карт, проездных билетов и другой продукции работают в режиме 24/7, но с новым материалом велика вероятность выхода линии из строя.
Так что если завтра в лабораториях появится новая разработка, мы будем готовы взять ее на пробу и дать обратную связь: «Такой-то реагент подходит лучше, такой-то — хуже». Когда заводы увидят потенциал, то станут смелее внедрять инновационные технологии на своих линиях.
// В чем состоит сложность этого процесса?
Во-первых, в том, чтобы найти нужную номенклатуру в России, причем необходимой для микроэлектроники чистоты. Приходится стимулировать химиков: «Сделайте нам, а мы испытаем». Во-вторых, требуется провести масштабную техническую работу. Чтобы получить результат, нужно совершить много итераций. В процессе выполнения проекта мы можем сделать не менее десяти целевых пленок, но при этом количество исходных материалов (МОС) может доходить до двадцати, то есть довольно много. Часть реагентов у нас уже есть, часть разрабатывают коллеги.
Соответственно, лучшие процессы для ReRAM, рожденные в проекте «Атом-О», мы перенесем в проект «Память-Р». Здесь наша группа сосредоточится на применении пленок: нужно прийти к оптимальному стеку «электрод — диэлектрик — электрод» со стабильными характеристиками, чтобы масштабировать на производстве. Каждая попытка должна быть выверена, поскольку количество технологических проб ограничено.
В проекте «Память-Р» мы заранее ограничили набор до пяти-шести потенциальных материалов, которые не будут страшны заводам, — все-таки они очень консервативны. Например, нет смысла внедрять на производстве платину, хотя она может быть отличным материалом в качестве электрода. Но от металла потом невозможно избавиться: появятся дефекты в изделиях и так далее.
Если говорить про сами слои, то в качестве перспективных мы рассматриваем оксиды тантала, гафния, нитрид кремния, либо же более сложные стеки с несколькими слоями. При изготовлении функциональных слоев в процессе АСО можно использовать как плазму, так и, например, пары воды, озон. В итоге сформированные пленки обладают разными электрофизическими характеристиками, пригодными для разных применений. Получается такая вилка возможностей. Их может образоваться очень много, но мы не должны плодить сущности, иначе это дерево разрастется, и вы его не соберете. Поэтому мы что-то отсекли заранее и постараемся выйти на оптимальные стеки резистивной памяти, пригодной для интеграции на производстве.
// Какие результаты фундаментальных исследований, проведенных ранее по грантам Фонда, стали основой для прикладного проекта?
Если говорить про проект «Атом-О», то у нас есть опыт с использованием зарубежных реагентов по формированию ряда материалов и пленок хорошего качества — как плазмой, так и термическим методом. Кроме того, имеются наработки по испытанию отечественной установки для процесса осаждения. Это интересная история. Несколько лет назад в России появились подвижки в сфере электронного машиностроения и решили сделать свое оборудование, в частности и для АСО. Мне поручили заняться его аттестацией. Два года мы работали на этой машине, искали проблемные места и высказывали замечания. Так что «кухню» знаем изнутри и используем эти знания, чтобы не повторять ошибок. При этом в других отечественных институтах стоят в основном зарубежные установки, которые запускали и обслуживали иностранцы.
Если говорить про проект «Память-Р», то ранее я был научным консультантом диссертации по теме резистивной памяти. Мы получили опыт модельного описания таких процессов, как образование каналов и управление ими. Эти расчеты и легли в основу проекта РНФ. Кроме того, в НИИМЭ есть опыт совместных работ по данному направлению с другими институтами.
Источник: Аскар Резванов
Можно сказать, что по направлению АСО мы в НИИМЭ находимся на передовой: в институте нет людей, которые знают эти процессы лучше нас. Нередко к нам за советом приходят более старшие коллеги.
// В чем состоит сложность перехода от разработки на фундаментальном уровне к практическому применению?
Нельзя взять и перенести на производство технологию, полученную в лаборатории, так как условия в ней не соответствуют требованиям фабрики. Допустим, вы изготовили небольшой работающий концепт, написали статью, и вроде как изделие может идти дальше. Но тут от фабрик начинается ряд вопросов: «Вы это проверяли? А как именно?» У ученых либо нет ответа, либо есть заведомо плохой результат. Я знаю множество хороших фундаментальных исследований, которые не дошли до фабрик, поскольку они остались на уровне лаборатории.
Мы как раз пытаемся стать связующим звеном между фундаментальной наукой и производством. Это сложно, поскольку люди разговаривают на разных языках, а ты понимаешь чаяния всех сторон и можешь выступать мостиком между ними.
Чтобы облегчить и ускорить транспорт технологий, испытания обязательно нужно проводить в соответствии с требованиями завода. К сожалению, в России нет крупного центра исследовательской микроэлектроники, который бы по своему оснащению был близок к производству. Мы на средства гранта часть установок закупили, часть арендовали и пока повторяем лабораторные опыты, но при этом используем инфраструктуру, приближенную к реальной. И когда откроется окно возможностей, мы сможем предоставить производственным площадкам готовые решения, при разработке которых уже были соблюдены протоколы по загрязнению, дефектам и прочему.
// Сколько времени это займет, как вы предполагаете?
Надеюсь, мы за три года определим пул материалов и сделаем пристрелочные работы — причем планируем разработать оптимальный стек элемента хранения.
// Каким образом выстраивается коммуникация с индустриальными партнерами?
Завод «Микрон» находится в десяти шагах от НИИМЭ. Кроме того, у нас есть много совместных работ по другим проектам. Несколько сотрудников в нашем отделе — выходцы из производства. Так что мы знаем — что можно сделать на заводе, а что нельзя. И если нельзя, то что нужно дополнительно сделать, чтобы был получен зеленый свет. Дело в том, что микроэлектроника — это одно из самых дорогих производств в мире. Сделать хорошо работающую технологию стоит колоссальных затрат. Выстраивать связи необходимо, но без государственной поддержки это невозможно. Любые НИР, даже прикладные, заведомо убыточны. Вы ничего на них не заработаете — это просто вложение средств.
Для бизнеса это высокие риски и никакой отдачи с точки зрения экономики. Плюсы могут быть только имиджевые.
Сегодня крупные проекты в отрасли без государственных вложений практически невозможны. Грант РНФ — одна из опций, которая позволяет за счет бюджетных средств показать потенциальным потребителям концепцию и убедить их в том, что технология работает.
// Что еще побудило вас участвовать в конкурсе Фонда по поддержке опытно-конструкторских работ?
Мы подали заявку, потому что другие рычаги не сработали. Ранее мы пытались реализовать свои идеи через инвестиционные проекты. В 2019 году, когда я стал начальником лаборатории, у меня возникла идея сделать лабораторию, хотя бы зачаток. На базе НИИМЭ — головного предприятия микроэлектроники — планировали запустить инвестпроект и выполнить работу, нацеленную на процессы атомно-слоевого осаждения и травления. Интерес чувствовался: мы получили поддержку на всех уровнях, состоялось несколько встреч с коммерческими директорами, но на финальном этапе финансирование не одобрили. Надеюсь, у проектов РНФ будет другая судьба и бизнес иначе посмотрит на наши работы, когда мы покажем реальные процессы.
Источник: Аскар Резванов
// Какой экономический и технологический эффект от проекта можно ожидать?
Мы можем показать коммерческим организациям свою концепцию и убедить, что можно делать прототипы памяти. Но говорить об экономической стороне пока рано. Да, в перспективе ReRAM можно широко использовать в повседневной жизни — в микроконтроллерах и так далее. Но пока речь идет о специфическом применении, которое обусловлено характеристиками памяти — устойчивостью к внешним воздействиям, способностью работать в большом диапазоне температур, высокой надежностью устройства. Поэтому потенциальными потребителями являются в первую очередь авиация, космос, атомная энергетика. На данном этапе стоимость памяти будет высокой, так что сегодня можно говорить скорее о технологическом эффекте. Естественно, если получится выйти на большие объемы, технология станет доступной для массового потребителя по более низкой стоимости.
// Пожалуйста, поделитесь своей научной мечтой.
Я частично уже сказал об этом выше: создать мост между лабораторией и заводом. Будучи пятикурсником, я выполнял часть магистерской работы в МГУ — в группе, которая занимается плазмохимическим травлением. Там были и теоретики, и практики с богатым опытом. Они говорили о том, что нужны люди, создающие мосты между наукой и производством. Уже тогда у меня зарождались идеи того, как это сделать. Сейчас я пытаюсь примерить эту роль на себя. Много головной боли получаешь не столько от технологий, сколько от администрирования и организации процессов. Интересно, что вертикальные связи худо-бедно налажены, а горизонтальные развиты пока довольно слабо. Хочется, чтобы ученые стали смотреть на два шага вперед, а не останавливались на уровне концепции. В этом плане интерес РНФ к прикладным проектам — это возможность начать что-то делать. У многих коллег есть хорошие наработки, но применения они не находят.
// Оцените вклад Фонда в развитие вашей сферы, а также в поддержку прикладных исследований.
Для ученых большая польза гранта Фонда заключается в том, что можно без проволочек и доп.соглашений закупать оборудование и точечно дооснащать лабораторию. Это позволяет получить максимальный результат и сократить сроки проекта. Например, до появления в НИИМЭ эллипсометра мы отдавали готовые пластины на завод и ждали результат несколько дней. Теперь же мы получаем фидбэк за несколько минут и можем оперативно скорректировать процесс. И скорость в разы увеличилась, и стало интереснее работать. Кроме того, оснащая базу, удается все больше и больше вовлекать в микроэлектронику молодых студентов, у которых есть большое желание что-то делать руками, и это не может не радовать.
