Создание и исследование высокоэффективных конденсаторных структур на основе сегнетоэлектрических материалов различных составов для перспективных энергонезависимых запоминающих устройств

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-49-10014

НазваниеСоздание и исследование высокоэффективных конденсаторных структур на основе сегнетоэлектрических материалов различных составов для перспективных энергонезависимых запоминающих устройств

Руководитель Чучева Галина Викторовна, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова Российской академии наук , г Москва

Конкурс №73 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (БРФФИ)

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-710 - Новые материалы для наноэлектронных приборов

Ключевые слова Сегнетоэлектрические тонкие пленки, метод осаждения в вакууме, золь-гель метод, фазовый состав, диэлектрическая проницаемость, конденсаторные структуры, электрофизические свойства, коэффициент управления, энергонезависимые запоминающие устройства, микроэлектроника.

Код ГРНТИ47.09.33

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
На сегодняшний день рынок запоминающих устройств с произвольной выборкой (ЗУПВ) (DRAM) представляет собой большой и стремительно развивающийся сектор изделий микро- и наноэлектроники. Конкуренция на этом секторе рынка, сопровождающаяся постоянным увеличением степени интеграции и уменьшением стоимости бита информации, и определяет одно из лидирующих положений отрасли на рынке микроэлектронных устройств. Тенденция увеличения емкости ЗУВП обеспечивается следующими основными факторами: уменьшение топологического разрешения, увеличением размера кристалла, уменьшением площади ячейки. Дальнейшее увеличение размеров кристалла сдерживается экономическими причинами повышения стоимости на рынке, что делает данную технологию невостребованной, а уменьшение топологического разрешения ограничено физическими пределами существующего оборудования, как в России, так и за рубежом. В связи с этим микроэлектронная промышленность столкнулась с необходимостью внесения существенных изменений в технологические процессы создания ЗУПВ. Площадь, занимаемая ячейкой памяти, состоящая из транзистора и конденсатора, непрерывно уменьшается, в то время как емкость конденсатора должна оставаться неизменной для обеспечения необходимой чувствительности и помехозащищенности. Решение этой проблемы возможно двумя путями. Первый путь - увеличение площади конденсаторного элемента, т.е. увеличение ячейки, что снижает количество элементов на единицу площади, а, следовательно, конкурентоспособность устройства, и второй путь - применение материала диэлектрика с высокой диэлектрической проницаемостью. Среди таких материалов наибольший интерес представляют активные диэлектрики, в частности сегнетоэлектрики. Одно из уникальных физических свойств сегнетоэлектрических материалов (высокая диэлектрическая проницаемость, изменяемая под действием внешнего поля) позволяет создать высокоэффективные конденсаторные элементы для ЗУПВ в которых активным элементом является тонкая сегнетоэлектрическая пленка. Разработка высокоэффективных и надежных конденсаторных элементов, в которых активным элементом является тонкая сегнетоэлектрическая пленка, является актуальным и может стать одним из основных направлений в области создания конкурентоспособных промышленных отечественных производств ЗУПВ. Научная новизна проекта состоит в использовании эффектов наностуктурирования для синтеза нового класса сегнетоэлектриков на основе тонких слоев и многослойных структур и комплексном исследовании морфологии и электрофизических свойств конденсаторных структур на основе пленок составов: титанат бария стронция с общей формулой BaxSr1-xTiO3 (BST); танталат-ниобат висмута-стронция с общей формулой SrXBiYNbZTa2-ZO9 (SBTN); танталат висмута-стронция с общей формулой SrXBiYTa2-ZO9 (SBT); оксид гафния с общей формулой HfОx (НfО2). Исследования электрофизических свойств сегнетоэлектрических пленок составов (BST, SBTN, SBT, HfO2) с учетом влияния различных внешних воздействий, таких как электрические и тепловые поля, позволят выявить максимальные значения диэлектрической проницаемости, а также изучить стабильность физических свойств, в частности частотных и емкостных зависимостей. Результаты будут представлять собой существенный шаг вперед в создании конденсаторных структур для высоконадежных энергонезависимых ячеек памяти на основе конденсаторных структур с пленками составов (BST, SBTN, SBT, HfO2).

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Афанасьев М.С. , Белорусов Д.А., Киселев Д.А., Лузанов В.А., Чучева Г.В. Effect of Formation Conditions for Hafnium Oxide Films on Structural and Electrophysical Properties of Heterostructures Journal of Communications Technology and Electronics, Vol. 68, No. 10, pp. 1191–1196 (год публикации - 2023)
10.1134/S1064226923100017

2. Афанасьев М.С., Белорусов Д.А., Киселев Д.А., Лузанов В.А., Чучева Г.В. Формирование и исследование структур металл-диэлектрик-полупроводник на основе пленок оксида гафния Физика твердого тела, Том 65, №4, с. 572-576 (год публикации - 2023)
10.21883/FTT.2023.04.55293.8

3. Афанасьев М.С., Белорусов Д.А., Киселев Д.А., Лузанов В.А., Чучева Г.В. Formation and study of metal-insulator-semiconductor structures based on hafnium oxide films Physics of the Solid State, Vol. 65, №4, p. 557-561 (год публикации - 2023)
10.21883/PSS.2023.04.55995.8

4. Афанасьев М.С., Белорусов Д.А., Киселев Д.А., Лузанов В.А., Чучева Г.В. Влияние условий формирования пленок оксида гафния на структурные и электрофизические свойства гетероструктур Радиотехника и электроника, Том 68, № 10, с. 973–979 (год публикации - 2023)
10.31857/S0033849423100017

5. Киселев Д.А., Афанасьев М.С., Белорусов Д.А., Лузанов В.А., Чучева Г.В. Исследования электрофизических характеристик структур металл-диэлектрик-полупроводник на основе пленок оксида гафния X Международная научная конференция «Actual Problems of Solid State Physics», С. 79 (год публикации - 2023)

6. Киселев Д.А., Куртева Е.А., Семченко А.В., Бойко А.А., Судник Л.В., Чучева Г.В. Influence of the Molar Ratio Sr : Bi : Ta in Strontium Bismuth Tantalate Films SryBi2 + xTa2O9 on Structure and Electrophysical Properties Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, 2024, V. 88, No. 5, pp. 704–708. (год публикации - 2024)
10.1134/S1062873824706457

7. Афанасьев М.С., Белорусов Д.А., Киселев Д.А., Лузанов В.А., Чучева Г.В. Electrophysical characteristics of hafnium oxide and barium strontium titanate ferroelectric films Radioelektronika, Nanosistemy, Informacionnye Tehnologii, Mikhail S. Afanasyev, Dmitry A. Belorusov, Dmitry A. Kiselev, Valery A. Luzanov, Galina V. Chucheva. Electrophysical characteristics of hafnium oxide and barium strontium titanate ferroelectric films. Radioelektronika, Nanosistemy, Informacionnye Tehnologii, 2024, 16(7):867-874e. DOI: 10.17725/j.rensit.2024.16.867. (год публикации - 2024)
10.17725/j.rensit.2024.16.867

8. Лузанов В.А. О влиянии кислородной бомбардировки на структурообразование пленок оксида гафния Радиотехника и Электроника (год публикации - 2025)

9. Гольдман Е.И.,Чучева Г.В.,Белорусов Д.А. The role of а buffer layer at the contact with silicon in structures with an insulating gap made of a material replacing SiO2 Ceramics International, Goldman E.I., Chucheva G.V., Belorusov D.A. The role of а buffer layer at the contact with silicon in structures with an insulating gap made of a material replacing SiO2 // Ceramics International. – 2024. – V. 50, Is. 6. – P. 9678-9681. (год публикации - 2024)
10.1016/j.ceramint.2023.12.286

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
На втором этапе выполнения проекта выполнены исследования поликристаллических тонких плёнок танталата висмута-стронция SryBi2+xTa2O9, полученных золь-гель методом. Исследовались образцы с различными мольными отношениями компонентов Sr:Bi:Ta. В ходе экспериментов было установлено, что при определенных условиях происходит образование фазы с кристаллической структурой типа перовскита. Этот вывод был подтвержден методами рентгеноструктурного анализа и диэлектрической спектроскопии. Проведены измерения фазовых переходов в образцах, что позволило подтвердить наличие сегнетоэлектрических свойств у исследуемых плёнок. Для подтверждения этих данных использовался метод спектроскопии переключения поляризации в режиме силовой микроскопии пьезоэлектрического отклика на сканирующем зондовом микроскопе. Результаты этих измерений продемонстрировали характерные для сегнетоэлектриков остаточные петли пьезоэлектрического гистерезиса, что указывает на способность материала сохранять поляризацию после снятия внешнего электрического поля. Эти результаты позволяют сделать вывод о возможности использования плёнок SryBi2+xTa2O9 в качестве сегнетоэлектрических материалов. Таким образом, проведенное исследование подтвердило возможность получения тонких плёнок SryBi2+xTa2O9 с заданной кристаллической структурой и сегнетоэлектрическими свойствами, что открывает перспективы их применения в различных областях микроэлектроники и нанотехнологий. Исследованы электрофизические свойства тонких плёнок оксида гафния (HfO2) и титаната бария стронция состава Ba0,8Sr0,2TiO3 (BST) различной толщины от 20 до 250 нм. Проведены измерения вольтфарадных характеристик структур Ni/HfO2/Si и Ni/BST/Si. Получены значения ширины петель гистерезиса в зависимости от толщины плёнок. Показано, что с увеличением толщины плёнок увеличивается шероховатость поверхности и размер зёрен. Рассчитанные значения показателя экспоненты роста составили для HfO2 β =1,4, а для BST плёнок β = 0,5. В рамках исследования, используя методику спектроскопии переключения поляризации, были проанализированы локальные петли сегнетоэлектрического гистерезиса для плёнок различной толщины. На основании этих данных рассчитаны значения коэрцитивных напряжений, что позволило выявить интересный феномен, известный как эффект «масштабирования». Этот эффект заключается в изменении физических параметров материала в зависимости от его размеров, в данном случае – толщины плёнки. Более детальный анализ показал, что плёнки BST демонстрируют большую степень «сегнетомягкости» по сравнению с плёнками HfO2 при сопоставимых толщинах. Это свойство особенно важно для приложений, связанных с управлением электрическим состоянием материала, такими как элементы памяти и сенсоры. Эти выводы имеют важное значение для дальнейшего развития технологий, использующих тонкие плёнки в микроэлектронных устройствах. Понимание различий между материалами, такими как BST и HfO2, позволяет оптимизировать выбор материалов для конкретных задач и повысить эффективность работы устройств. Исследовано влияние толщины плёнок HfO2 и BST, сформированных на кремниевых подложках, на электрофизические свойства структур металл-сегнетоэлектрик-полупроводник. Установлено, что образцы Ni/BST/Si обладают более широкими петлями гистерезиса и напряжениями пробоя, чем Ni/HfO2/Si. Характер изменения свойств структур металл-сегнетоэлектрик-полупроводник при уменьшении толщин плёнок HfO2 и BST идентичен. Уменьшение толщины плёнок приводит к сокращению ширины петель гистерезиса, связанного с уменьшением степени кристалличности плёнок, сдвигу центра симметрии петель, вследствие повышения влияния концентрации суммарного положительного заряда на границе раздела сегнетоэлектрик-полупроводник и к ухудшению температурной и частотной стабильности структур. Исследовано влияние изменения мольного соотношения Ta:Nb от 1:0 до 0,5:0,5 в структурах Ni/ SrBi2(Ta1-xNbx)2O5/Pt на их электрофизические свойства. Установлено что увеличение отношения Ta:Nb от 1:0 до 0,8:0,3 улучшает характеристики структуры Ni/SBTN/Pt, увеличивая максимальную ёмкость и ширину петли гистерезиса при комнатной температуре. Характер изменения ёмкости и тангенса угла диэлектрических потерь с увеличении частоты и температуры оставался неизменным. При увеличении отношения Ta:Nb, выше 0,8:0,2, наблюдалось ухудшение свойств плёнок, что, по видимому, связано с изменением формы зёрен от сферической к цилиндрической.

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
1. Проведены комплексные исследования электрофизических свойств (температурные и полевые зависимости диэлектрической проницаемости и электропроводности) конденсаторных структур. Измерены высокочастотные характеристики импеданса структур металл-сегнетоэлектрик-полупроводник и металл-сегнетоэлектрик-металл с изолирующими слоями BST, SBTN, SBT, HfO. 1.1. Проведен анализ измеренных ВФХ структур металл-сегнетоэлектрик-полупроводник. Определены изгибы зон в подложке в зависимости от приложенного к объекту полевого напряжения. Анализ измеренных ВФХ МДП-структур показал, что: в МДП-структурах с изолирующими слоями из BST и HfO, выращенными на кремниевых подложках с native окислом, ни состояние глубокой инверсии, ни вырождение поверхности полупроводника не достигаются; полевое напряжение, приложенное к МДП-структурам, падает в основном на изолирующих слоях; два плато на каждой кривой ВФХ и изгибы зон в кремнии, далекие от условий инверсии и сильного обогащения поверхности полупроводника, связаны с пинингом уровня Ферми на ЭЛ в буферных слоях с высокой концентрацией и U-образной формой спектра; концентрация оборванных связей кремния в структурах металл-окисел-полупроводник, полученных при высокотемпературном окислении Si, как минимум на два порядка меньше, чем значения в буферных слоях объектов, выращенных на подложках с native окислом; для сформированных на кремниевых пластинах с native окислом МДП-структур с изолятором из сегнетоэлектрика или high-k диэлектрика спектральная плотность ЭЛ в буферных слоях расположена в середине запрещенной зоны полупроводника, а ее минимум лежит на расстоянии 0.2÷0.3 эВ от дна зоны проводимости; спектр ЭЛ в буферных слоях на границе раздела с BST малочувствителен к толщине пленки сегнетоэлектрика. У контакта с HfO с увеличением толщины high-k диэлектрика спектральная кривая ЭЛ сдвигается вглубь запрещенной зоны кремния, расширяется, а ее минимальное значение уменьшается. 1.2. Исследованы процессы переключения поляризации в тонких пленках методами сканирующей зондовой микроскопии, включая режим силовой микроскопии пьезоэлектрического отклика и метод зонда Кельвина. Проведены эксперименты по механической и электрической «записи» индуцированной доменной структуры путем приложения силы или постоянного напряжения на зонд сканирующего зондового микроскопа, соответственно. Выявлено, что градиент деформации, создаваемый наконечником атомно-силового микроскопа, может механически переключать поляризацию в наноразмерном объеме сегнетоэлектрической пленки. Таким образом, механическая сила может использоваться в качестве динамического инструмента управления поляризацией и может включать приложения, в которых биты памяти записываются механически и считываются электрически. Эти результаты открывают способ записи сегнетоэлектрических битов памяти с использованием механической силы вместо электрического смещения в устройствах хранения данных. Установлен эффект влияния силы прижатия зонда на процесс механической переполяризации в предварительно поляризованной области пленок SBT и HfO. Таким образом, механическая сила может быть использована в качестве динамического инструмента для управления поляризацией и может использоваться в устройствах, в которых биты памяти записываются механически и считываются электрически. Экспериментально показано, что постоянного напряжения 15 В достаточно для переключения поляризации в исследуемых пленках. Установлено, что увеличение механического воздействия кантилевера на пленки SBT и HfO повышает степень переориентации доменов в предварительно поляризованной области. Исследована динамика движения доменной стенки в зависимости от длительности импульсов постоянного напряжения в интервале (0.1 – 10) с. Сделан вывод, что для создания устойчивого домена радиусом 16 нм достаточно 0.24 мс. 2. Определены надежности работы лабораторных образцов конденсаторных структур с различным материалом сегнетоэлектрика (BST, SBTN, SBT, HfO). Проведенные циклические измерения продемонстрировали достаточную устойчивость конденсаторных структур на основе пленок составов BST и HfO. После 5·10^5 переключений изменение значений отношения (C_max/C_min) не превышало 5%. При этом надежность конденсаторных структур с уменьшением толщины пленок не ухудшается. 3. Создана база данных электрофизических характеристик полученных конденсаторных структур на основе бессвинцовых сегнетоэлектрических материалов. Разработан специализированный программный комплекс по созданию централизованной базы данных, служащей основой для текущих и будущих исследований электрофизических характеристик конденсаторных структур на основе сегнетоэлектрических материалов. Структурирование и сохранение данных производится в единой реляционной БД SQLite, что позволяет пользователям быстро находить измерения, связанные с конкретным образцом и сравнивать их характеристики по заданным параметрам. Разработанная программа "Информационно-аналитическая система структурных характеристик образцов" в процессе представления на государственную регистрацию. 4. Даны рекомендации по применению разработанных конденсаторных структур с сегнетоэлектрическими пленками различных составов (BST, SBTN, SBT, HfO) для высоконадежных энергонезависимых ячеек памяти типа ЗУПВ. Проведенные комплексные исследования подтвердили высокую эффективность вакуумных методов осаждения для создания функциональных сегнетоэлектрических пленок с заданными свойствами. Полученные результаты формируют прочную основу для практического применения этих материалов в микроэлектронике, включая энергонезависимую память на основе ЗУВП. Интернет (url-адреса), посвященные проекту): https://fireras.su/index.php?main=grants/index.html

Публикации

Возможность практического использования результатов
Практическое применение определяется перспективностью разработанных конденсаторных структур на основе сегнетоэлектрических пленок различных составов для развития и усовершенствования элементной базы, современных сенсорно-информационных систем, миниатюризации и улучшения характеристик ячеек энергонезависимой памяти. Полученные результаты представляют собой существенный шаг вперед в создании конденсаторных структур для высоконадежных энергонезависимых ячеек памяти на основе конденсаторных структур с сегнетоэлектрическими пленками составов BST и HfO2.