Разработано первое в мире устройство энергонезависимой памяти, объединяющее двумерные материалы и сегнетоэлектрики.

Разработанная технология объединяет дисульфид вольфрама (WS₂), двумерный (2D) материал, с оксидом гафния-циркония (HZO), сегнетоэлектрическим материалом, обеспечивая как стабильность интерфейса, так и превосходную кристалличность. Результаты были одобрены Международной конференцией по электронным устройствам 2024 (IEDM 2024), одной из трёх крупнейших мировых конференций по полупроводникам, которую часто называют «Олимпиадой полупроводников».

Дисульфид вольфрама (WS₂) — это двумерный материал, состоящий из вольфрама и серы, для которого характерна ультратонкая атомно-слоистая структура. Несмотря на толщину в несколько нанометров, он обладает уникальными свойствами, что делает его подходящим для применения в полупроводниках и устройствах хранения энергии. Сегнетоэлектрические материалы, такие как HZO, демонстрируют спонтанную поляризацию даже при отсутствии внешнего электрического поля и являются неотъемлемой частью энергонезависимых устройств памяти, которые сохраняют информацию без питания. Среди сегнетоэлектрических материалов HZO особенно известен своими прочными сегнетоэлектрическими свойствами.
В этом исследовании решалась проблема межфазной стабильности, которая является критическим ограничением в технологии сегнетоэлектрических устройств, и улучшалась однородность характеристик устройств за счёт контроля кристалличности HZO. Межфазная стабильность — это способность минимизировать физические и химические изменения на границе между двумя материалами, тем самым сохраняя их внутренние свойства с течением времени. В полупроводниковых устройствах более высокая межфазная стабильность напрямую способствует сохранению характеристик без ухудшения, что тесно связано с общей надёжностью полупроводника.

На схеме слева показаны функции нижнего межфазного слоя 2D-WS2 для обеспечения стабильности интерфейса и вертикально упорядоченные доменные структуры HZO, что приводит к превосходным сегнетоэлектрическим свойствам. Справа петли гистерезиса P-V сегнетоэлектрических конденсаторов без (красный) и с (синий) Нижний межфазный слой 2D-WS2 в исходном состоянии. Значительное увеличение 2Pr наблюдается в разработке нижнего интерфейса

Изображение: Korea Institute of Materials Science (KIMS)

При традиционном осаждении HZO методом атомно-слоевого осаждения (ALD) возникает несколько проблем. Одна из основных проблем заключается в том, что во время осаждения HZO на электрод, находящийся под ним, воздействие высоких температур и кислорода вызывает нежелательные химические реакции. Это приводит к образованию тонкого оксидного слоя, который ухудшает сегнетоэлектрические свойства HZO. Кроме того, высокотемпературный отжиг, необходимый для активации сегнетоэлектрических свойств HZO, приводит к тому, что атомы кислорода на поверхности тонкой плёнки HZO мигрируют к электроду. Это не только создаёт дефекты, такие как вакансии кислорода на поверхности HZO, но и приводит к нестабильности сегнетоэлектрических характеристик в течение рабочих циклов.

Чтобы решить эти проблемы, необходимо было обеспечить стабильность границы раздела между электродом и HZO. Исследовательская группа решила эту задачу, добавив слой дисульфида вольфрама (WS₂) для поддержания стабильности границы раздела между электродом и HZO. Такой подход сводил к минимуму нежелательные химические реакции, защищал поверхность электрода и контролировал миграцию атомов кислорода на поверхности тонкой плёнки HZO. В результате команда успешно добилась стабильных свойств границы раздела, максимально увеличив сегнетоэлектрические свойства HZO.

Ещё одним серьёзным препятствием на пути коммерциализации сегнетоэлектриков на основе HZO является беспорядочная ориентация наноразмерных доменов, что приводит к различиям в характеристиках устройств и проблемам с обеспечением надёжности. Чтобы решить эту проблему, исследовательская группа воспользовалась сходством между постоянной решётки дисульфида вольфрама (WS₂) и межплоскостным расстоянием между конкретными плоскостями HZO. Это сходство обеспечило превосходную кристалличность при объединении материалов. Контролируя ориентацию доменов материала и максимально повышая однородность их ориентации, команда смогла значительно повысить надёжность устройств.

Технология гетероперехода, объединяющая двумерный дисульфид вольфрама и HZO, считается крупным технологическим прорывом в разработке устройств энергонезависимой памяти на основе сегнетоэлектриков нового поколения. Дисульфид вольфрама защищает электрод, лежащий в основе, в условиях высоких температур, а также способствует выравниванию доменов, что значительно повышает производительность сегнетоэлектрических устройств.

Доктор Йонг-Хун Ким, ведущий исследователь KIMS, заявил: «Мы решили важнейшую задачу по управлению неупорядоченными доменами, которая была самым большим препятствием для коммерциализации устройств энергонезависимой памяти на основе HZO, тем самым обеспечив энергонезависимую память с высокой надёжностью и долговечностью». Исследовательская группа продолжает оптимизировать работу устройств при низкотемпературных процессах (ниже 400 °C), подходящих для применения в производстве полупроводников на заключительном этапе (BEOL).