Регистрация / Вход
Прислать материал

Развитие физико-технологических принципов построения наноразмерных устройств фазовой памяти и разработка прототипа ячейки фазовой памяти

Номер контракта: 14.578.21.0085

Руководитель: Тимошенков Сергей Петрович

Должность руководителя: заведующий кафедрой Микроэлектроника

Докладчик: Лазаренко Петр Иванович, Ассистент

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
фазовая память, энергонезависимые запоминающие устройства, халькогенидные стеклообразные полупроводники, квазибинарный разрез gete-sb2te3, легирование, примесное замещение, электрофизические свойства, вольт-амперные характеристики, термоэдс, механизмы переноса носителей заряда, морфология поверхности, оптические свойства, термические свойства

Цель проекта:
Целью ПНИЭР является разработка физико-технологических принципов построения наноразмерных устройств фазовой памяти и разработка и оптимизация технологии получения прототипа ячейки фазовой памяти. Основные задачи проекта: - проведение комплексных исследований свойств тонких пленок материалов фазовой памяти на основе соединений, лежащих на линии квазибинарного разреза GeTe-Sb2Te3, и влияния на свойства легирования с целью выявления состава с оптимальными свойствами для применения в устройствах фазовой памяти; - разработка физико-технологических принципов построения наноразмерных устройств фазовой памяти; - разработка и оптимизация технологии изготовления устройств фазовой памяти; - разработка, создание и исследование прототипа ячейки фазовой памяти.

Основные планируемые результаты проекта:
- Аналитический обзор состояния разработок и достижений в области фазовой памяти.
- Проведены комплексные исследования свойств тонких пленок перспективных материалов фазовой памяти, включая структуры получаемых тонких пленок, их химического состава, термических и электрофизических характеристик, морфологии поверхности и влияние на них температурного отжига.
- Установлены особенности легирования тонких пленок перспективных материалов фазовой памяти, с помощью примесного замещения Bi, In, Ti, N.
- Определены составы материалов с оптимальными свойствами с точки зрения применения в устройствах фазовой памяти.
- Разработаны физико-технологические принципы построения наноразмерных устройств фазовой памяти.
- Разработан технологический маршрут изготовления прототипа ячейки фазовой памяти.
- Изготовлен прототип ячейки фазовой памяти.
- Разработаны методики измерения параметров прототипа ячейки фазовой памяти.
- Исследованы параметры прототипа ячейки фазовой памяти.
- Разработан проект технического задания на проведение ОТР по теме: «Разработка технологии изготовления устройств фазовой памяти».

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Фазовая память обладает рядом достоинств, например, сравнительно низким энергопотреблением, высокой скоростью обработки данных, большой длительностью хранения информации. Технические характеристики создаваемых устройств фазовой памяти:
- рабочее напряжение: 3-5 В;
- время обработки информации не более 1 мкс;
- срок хранения информации: более 20 лет.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Фазовая память может быть применена для большого круга приборов электроники: приборы массового потребления (мобильные телефоны, смартфоны, планшеты и т.д.), приборы специального назначения, требующие повышенной надежности, быстродействия, радиационной стойкости (военной и атомная промышленности, авиа- и космическая техника). Созданное в ходе выполнения метрологическое обеспечение, которое включает оригинальные методики и измерительные аппаратно-программные комплексы для контроля параметров тонких пленок, структур и разрабатываемых изделий, может быть использовано для серийного производства устройств фазовой памяти.
Разработка технологии создания фазовой памяти может обеспечить замену флэш-памяти на рынке устройств хранения информации. Кроме того, фазовая память может быть использована в таких областях, где флэш-память в силу своих особенностей не может быть применена. Например, космическая, военная или атомная промышленность, где требуется высокая радиационная стойкость, или в качестве динамической памяти, где требуется высокая скорость обработки данных.

Текущие результаты проекта:
В ходе выполнения 2 этапов проекта в полной мере решены все поставленные задачи.
1. Проведен аналитический обзор научно-технической литературы в области фазовой памяти. Рассмотрены тенденции и сделан прогноз развития рынка энергонезависимой памяти. Сделан обзор перспективных типов памятей, показано, что одним из наиболее перспективных кандидатов на па­мять нового поколения является фазовая память. Рассмотрен принцип работы электрической фазовой памяти, варианты структуры ячеек фазовой памяти и направления совершенствования технологии фазовой памяти.
2. Проведено обоснование и выбор направлений исследований. Проанализированы основные проблемы, которые стоят в настоящее время перед разработчиками технологии фазовой памяти. По­казано, что современный этап развития технологии фазовой памяти связан с использованием тонко­пленочных халысогенидов системы Ge-Sb-Te, лежащих на линии квази-бинарного разреза GeTe- Sb2Te3. По совокупности свойств (температуре плавления, времени фазового перехода, стабильности свойств) в качестве базового материала при разработке прототипа ячейки фазовой памяти выбрано соединение Ge2Sb2Te5, лежащее на линии квази-бииарного разреза GeTe-Sb2Te3.
Однако, несмотря на то, что Ge2Sb2Te5 наиболее широко используется на практике, его свойства недостаточно изучены и не являются оптимальными с точки зрения применения в устройствах фазовой памяти. Необходимость совершенствования технологии фазовой памяти требует разработки эффективных методов управления свойствами халькогенидных полупроводников. Однако большин­ство ХСП нечувствительны к легированию и поиск эффективных легирующих элементов для Ge2Sb2Te5 является сложной задачей. С учетом имеющегося опыта и на основании анализа литера­турных данных в качестве легирующих элементов для Ge2Sb2Te5 были выбраны Bi, Ti, In, N.
3. Проведены комплексные исследования топких пленок и слоистых структур на их основе.
Обоснован выбор метода осаждения гонких пленок. Отработана методика нанесения тонких пленок Ge2Sb2Te5 методом вакуумно-термического испарения.
С помощью реитгеиофазового анализа исследована структура осажденных тонких пленок Ge2Sb2Te5 и ее изменение при отжиге.
Исследование химического состава осаждаемых топких пленок с помощью метода ренгенос-пектрального микроанализа показало, что их состав близок к испаряемому.
Разработана методика оценки кинетики кристаллизации тонких пленок материалов фазовой памяти. С использованием разработанной методики проведена оценка кинетики кристаллизации и времени обработки данных в устройствах фазовой памяти на основе тонких пленок Ge2Sb2Te5.
С помощью методов а томно-силовой микроскопии (АСМ) и растровой электронной микроскопии (РЭМ) исследовано влияние отжига на морфологию поверхности тонких пленок Ge2Sb2Te5.
4. Проведены патентные исследования в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96.
5. Исследованы структурные свойства тонких пленок халькогенидных полупроводников, ле­жащих на линии квазибинарного разреза GeTe-Sb2Te3, с помощью метода рентгенофазового анализа (РФА) и влияния на них термообработок.
6. Исследованы термические свойства тонких пленок халькогенидных полупроводников, ле­жащих на линии квазибинарного разреза GeTc-Sb2Te3, методом дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК).
7. Проведены маркетинговые исследования с целью изучения перспектив коммерциализации результатов исследований, полученных при выполнении ПНИЭР.
8. Отработаны методики синтеза Ge2Sb2Te5, легированного примесями Bi, In, Ti.
9. Отработаны методики нанесения тонких пленок Ge2Sb2Te5, легированных Bi, In, Ti, методом вакуумно-термического испарения.
10. Проведены исследования термических свойств тонких пленок Ge2Sb2Te5, легированных Bi, In, Ti, методом ДСК.
11. Проведена оценка кинетики кристаллизации тонких пленок Ge2Sb2Te5, легированных Bi, In, Ti. Наилучшими кинетическими параметрами обладают тонкие пленки Ge2Sb2Te5 + 0,5 вес.% Bi.
12. С помощью методов АСМ и РЭМ установлено, что кристаллизация тонких пленок GST225, легированных Bi, In, Ti, сопровождается существенным изменением морфологии поверхности слоев.
13. Измерение температурных зависимостей электрофизических характеристик тонких пленок Ge2Sb2Te5, легированных Bi, In, Ti показало, что кристаллизация сопровождается уменьшением удельного сопротивления тонких пленок на 3-4 порядка.
14. Разработана методика измерения температурных зависимостей термо-ЭДС тонких пленок.
15. Проведены измерение температурных зависимостей термо-ЭДС тонких пленок и их анализ. Определен тип проводимости и коэффициент термо-ЭДС тонких пленок Ge2Sb2Te5.
16. Проведен анализ механизмов переноса носителей заряда в слоях исследуемых материалов с учетом результатов измерения термо-ЭДС и комплексных исследований. Установлено, что для тонких пленок Ge2Sb2Te5 + 0,5 масс. % Bi наблюдаются экстремальные значения многих параметров.
17. Исследованы оптические свойства тонких пленок Ge2Sb2Te5, легированных Bi, In, Ti, с помощью методов эллипсометрии и спектрофотометрии. Оценены значения коэффициента преломления, ширины щели по подвижности, энергии Урбаха и влияния на них легирования.
18. Исследован химический состав тонких пленок Ge2Sb2Te5, легированного Bi, In, Ti. Установлено, что составы осаждаемых пленок близки к требуемым составам.
19. Проведено исследование структурных свойств тонких пленок Ge2Sb2Te5, легированного Bi, In, Ti, с помощью метода РФА и влияния на них термообработок. Показано, что при нагреве в пленках возможно появление дополнительных фаз.
20. Разработан и изготовлен программно-аппаратный комплекс для проведения исследования температурных зависимостей термо-ЭДС.