Рост «high-k» диэлектриков на двумерных материалах и изучение их границы раздела для инновационной наноэлектроники

Фундаментальной научной проблемой, на решение которой направлен проект, является изучение физико-химических свойств диэлектриков с высоким значением диэлектрической проницаемости (highk) для ячеек памяти интегральных схем на 2D материалах канала (WS2, MoS2, WSe2, MoSe2). Эта проблема возникла с 1950 года в результате стремления добиться увеличения информационной плотности ячеек памяти интегральных схем и в настоящее время является важнейшей задачей, стоящей перед научным и инженерным сообществом. С уменьшением технологического «узла» до размера менее 45 нм потребовалось изменение конструкции транзистора, что, в свою очередь, потребовало применения новых материалов и разработки процессов их получения. Одним из возможных решений возникшей проблемы является использование новых материалов канала, диэлектрика и методов их синтеза. В качестве материалов канала перспективными являются 2D слои дихалькогенидов переходных металлов (2D TMDs). Наиболее распространенным материалом high-k диэлектрика в кремниевой технологии являются слои HfO2. Структура получаемых слоев является моноклинной, для которой k≈16. Для стабилизации высокотемпературных модификаций HfO2 (k=39-для кубической модификации и k=70-для ♦ 8-06-2017 Страница 3 из 26тетрагональной), HfO2 легируют редкоземельными элементами. Незначительный опыт использования этих диэлектриков в структурах с 2D TMDs материалами канала выявили проблемы интерфейса, связанные с его составом, микроструктурой и несовместимостью кристаллических решеток. Объектами исследования в этом проекте являются слои гафнатов Sc и Sm, формирующиеся в процессе АСО в системах двойных оксидов HfO2-Sc2O3 и HfO2-Sm2O3. В отличие от монооксидов Hf, Sc и Sm, кубической, гексагональной и моноклинной модификаций, для которых диэлектрическая проницаемость составляет 12-16, в выбранных системах формируются твердые растворы, кристаллизирующиеся вромбоэдрической (орторомбической) сингонии (структура перовскита), для которой характерна величина k≥30. Так как для выбранных материалов канала также характерно формирование ромбоэдрической структурной модификации, то следует ожидать, что при совместимости параметров кристаллической решетки материала канала и диэлектрика будет возможно формирование качественного, с точки зрения функциональности, интерфейса. АСО принадлежит к технологиям новой генерации (нанотехнологиям). При синтезе экстремально тонких многослойных структур из многокомпонентных летучих веществ (прекурсоров) возникают серьезные проблемы, причиной которых является недостаточная изученность механизма синтеза сверхтонких слоев и наногетерогенных структур на их основе, а также их физико-химических свойств. Одной из ключевых проблем также является установление природы зарядовых состояний и протяженности границ интерфейса в многослойных композициях. Поэтому в последние годы результаты фундаментальных исследований структур на основе 2D материалов и процессов их синтеза становятся все более и более актуальными для внедрения их в инновационные технологии ячеек памяти с высокой информационной плотностью и фотовольтаических устройств. Ключевой областью исследования российской команды будет изучение механизма формирования фаз в наногетерогенных многослойных системах, и установление взаимосвязи их состава и микроструктуры с функциональными свойствами. Практическое значение этих фундаментальных исследований состоит в том, что полученная научная информация необходима для развития инновационных технологий наноэлектронных устройств нового поколения.