Важнейшие результаты

Транзисторные Fin и NW-структуры на подложках SOI.  Основа нового поколения наноразмерных транзисторов с затвором GAA

Авторы: Руденко К.В., Вьюрков В.В., Рогожин А.Е., Мяконьких А.В., Татаринцев А.А.

Транзисторные Fin и NW-структуры на подложках SOI.  Основа нового поколения наноразмерных транзисторов с затвором GAA

Разработана технология наноразмерных кремниевых Fin-структур и нанопроводов с критическим размером менее 10 нм. Технология успешно перенесена с объемных Si подложек на подложки КНИ. Достигнуты рекордные параметры размеров нанопроводов: сечение 8х50 нм и длина 200 нм (литографический размер – 10 нм). Технология воспроизводима и позволила создать топологически упорядоченные массивы нанопроводов до 10000 штук. Прецизионный метод удаления поверхностного слоя 1-2 нм кремния с дефектами кристаллической структуры в Si-нанопроводниках, возникшими в ходе плазмохимического травления, позволил в 105 раз увеличить проводимость Si – нанопроводников, исключив механизмы рассеяния носителей на поверхностных дефектах.

 

  1. Vyurkov V.V., Khabutdinov R.R., Nemtsov A.B., Semenikhin I.A., Rudenko M.K., Rudenko K.V., Lukichev V.F. Analytic Model of Transit-Time Diodes and Transistors for the Generation and Detection of THz Radiation // Russian Microelectronics, 2018, 47(5), pp. 290-298.
  2. Miakonkikh A.V., Orlikovskiy N.A., Rogozhin A.E., Tatarintsev A.A., Rudenko K.V. Dependence of the Resistance of the Negative e-Beam Resist HSQ Versus the Dose in the RIE and Wet Etching Processes //Russian Microelectronics, 2018, 47(3), pp. 157-164.
  3. А.В. Мяконьких, А.А. Татаринцев, К.В. Руденко. Электронная литография и анизотропное плазмохимическое травление кремниевых FIN-структур для FINFET и SiNW транзисторов с размерами 11–22 нм // Труды ФТИАН. T. 27. Квантовые компьютеры, микро- и наноэлектроника: физика, технология, диагностика и моделирование. С. 59-65. ISBN. 978-5-02-040089-4

 

Сравнительное исследование ICP плазмы газов CF4, CBrF3, C2Br2F4

Авторы из ФТИАН им. К.А. Валиева РАН: В. О. Кузьменко, А. В. Мяконьких, К. В. Руденко

Результат получен совместно с Ивановским Государственным Химико-Технологическим Университетом (А. М. Ефремов)

Применение диэлектриков с ультранизкой диэлектрической проницаемостью в системе металлизации современных интегральных схем требует низкоповреждающего процесса травления диэлектрика для сохранения низкого значения диэлектрической проницаемости в процессе создания структуры межсоединений. В представленной работе работе изучен подход к реализации низкоповреждающего процесса травления в индуктивно-связанной плазме фторбромуглеродных газов, предложеный ранее [1], в сравнении с плазмой CF4. Были исследованы параметры фторбромуглеродных плазм в различных установках с реакторами с индуктивно-связанной плазмой [2], [3]. С помощью зонда Ленгмюра были определены значения электронных температур, концентраций электронов и положительных ионов в типичных для процесса травления условиях. Воздействие радикалов фтора обеспечивают химический механизм травления, но ведет к деградации кремнийсодержащих диэлектрических плёнок, поэтому концентрации радикалов фтора были определены в сравнении с концентрациями радикалов брома. Для определения концентраций радикалов использовался метод оптической эмиссионной актинометрии. Экспериментальные данные были подтверждены моделированием плазмы CF4.

Такая работа для ICP плазмы газов CBrF3 и C2Br2F4 была выполнена первые.

Сравнительное исследование ICP плазмы газов CF4, CBrF3, C2Br2F4

Концентрации атомных радикалов фтора и брома (a, b), параметры, характеризующие баланс между физическим и химическим механизмами травления (c, d) в зависимости от давления в реакторе. Пунктирная линия на Рис. a) соответствует предсказанным моделью значениям для плазмы CF4

 

  1. Rezvanov, A. V. Miakonkikh, A. S. Vishnevskiy, K. V. Rudenko and M. R. Baklanov, Cryogenic etching of porous low-k dielectrics in CF3Br and CF4 plasmas, J. Vac. Sci. Technol. B 35(2), 021204. 2017
  2. O. Kuzmenko and A. V. Miakonkikh, Low-Pressure Inductively Coupled CF3Br Plasma Studied by the Langmuir Probe and Optical Emission Spectroscopy Techniques, Technical Physics Letters Vol. 47, No. 1, pp. 99–102. 2021
  3. Miakonkikh, V. Kuzmenko, A. Efremov and K. Rudenko, A comparison of CF4, CBrF3 and C2Br2F4 plasmas: Physical parameters and densities of atomic species, Vacuum Vol. 200, 110991. 2022
Important results

Авторы: Ю.И. Богданов, Н.А. Богданова, Д.В. Фастовец, В.Ф. Лукичев

Раздел фундаментальных и поисковых научных исследований: 1.1.5.6. Квантовое глубокое машинное обучение на основе квантовых поисковых алгоритмов, квантового программирования, квантовых нейронных сетей и квантовых генетических алгоритмов

Наиболее прямой способ решения задач в случае квантово-механических систем – это поиск решения нестационарного уравнения Шрёдингера. Квантовый компьютер способен эффективно его решать при использовании алгоритма Залки-Визнера.

Предложен метод оценки влияния квантовых шумов при моделировании квантовых систем на квантовом компьютере с использованием алгоритма Залки-Визнера. Рисунок 1 дает наглядное представление об уровне влияния квантовых шумов на точность получения решения уравнения Шредингера на квантовом вычислителе. Из рисунка 2 видно, что для адекватного моделирования квантовых систем из десятков электронов требуется иметь уровень ошибки порядка e=0.001 и ниже, а для моделирования систем из сотен электронов нужно обеспечить уровень e=0.0001 и ниже. При этом вероятность ошибки отдельного вентиля должна достигать уровня e2, т.е. порядка 10-6 – 10-8.

Результаты исследования имеют существенное значение для разработки методов моделирования квантовых систем с использованием квантовых компьютеров и симуляторов, что критически важно для решения практически значимых задач в самых различных научных областях.

Bogdanov Yu.I., Bogdanova N.A., Fastovets D.V., Lukichev V.F. Simulation of the Schrodinger equation on a quantum computer using the Zalka-Wiesner method taking into account the quantum noise // JETP Letters 114, issue 6 (2021).

Important results

Авторы от ФТИАН им. К.А. Валиева РАН: К.В. Руденко, А.В. Мяконьких, А.Е. Рогожин, А.А. Ломов
Авторы от ИФП СО РАН: В.П. Попов, В.А. Антонов, Ф.В. Тихоненко

Раздел фундаментальных и поисковых научных исследований: 2.6.2.5. Элементная база для перспективных информационно-вычислительных систем, работающих на новых физических принципах

Предложены и реализованы термостабильные гетероструктуры кремний-на-сегнетоэлектрике, совместимые с современной кремниевой КМОП-технологией. На их основе разработаны двухзатворные сегнетоэлектрические транзисторы 2G FeFET, обладающие сегнетоэлектрическим гистерезисом с окном памяти 1.2-1.3 В и построены их компактные математические модели. Впервые создан интегрируемый прибор, обладающий одновременно свойствами логики и памяти, открывающий новые перспективы не только для изготовления нового типа энергонезависимой памяти, способной к интеграции до проектных норм 22-16 нм, но и для разработки новых архитектур процессоров для нейроморфных вычислений (концепция “in memory computing).

ВРЭМ
ВРЭМ-изображение поперечного сечения КНС структуры после термообработки при Tann = 1100oC с заглубленным оксидом гафния (HO BOX) PEALD, нанесенным на сапфировую подложку (0001)

Рисунок 1 – ВРЭМ-изображение поперечного  сечения КНС структуры после термообработки при Tann = 1100oC с заглубленным оксидом гафния (HO BOX) PEALD, нанесенным на сапфировую подложку (0001)

Рисунок 2 – Слева: спектр GIXRD образца после отжига при 800оС в течение 1 часа (на вставке – структура устройства); справа: сегнетоэлектрический гистерезис сток-затворных характеристик псевдо-МОП-транзистора на мезаструктуре после RTA при 900оС в течение 30 c (скорости развертки: 0,4 В/с – черный цвет, 0,12 В/с – красный, 0.04 В/с – синий)

  1. Phys. D: Appl. Phys. – 2021 – V.54(22) – 225101.
  2. Materials Today Communications – 2021 – V.28 –
  3. Stat. Sol. A – 2021 – V.218(23) – 2100109.
  4. EuroSOI-ULIS – 2021 – pp. 1-4 – DOI: 10.1109/EuroSOI-ULIS53016.2021.9560687 (приглашенный доклад).

 

Important results

Авторы: Т.М. Махвиладзе, М.Е. Сарычев

Раздел фундаментальных и поисковых научных исследований: 1.3.2.10. Физическое материаловедение и физика дефектов.

Долговечность современных ИС в значительной степени определяется надежностью интерфейсов. В рамках общей теории нестабильных интерфейсов получены решения уравнений, описывающих процессы влияния электрического поля и различных механических напряжений на устойчивость интерфейсов соединенных материалов под совместным действием электрического тока и различных механических напряжений, вызванных процессами электромиграции, влиянием структурных, материальных и геометрических характеристик материалов, наличием примесей, остаточных напряжений, а также эксплуатационными параметрами и другими причинами, влияющими на работоспособность и время до отказа планарных и объёмных ИС. Выявлены зоны неустойчивости интерфейсов разной степени сложности в зависимости от внешних условий (температуры, плотности тока и остаточных механических напряжений, генерируемых подложкой). Получены опытные подтверждения критериев устойчивости и параметров, определяющих зоны стабильности, для широко применяемых интерфейсных структур, исследованы соответствующие времена до отказа. Развитая теория позволит при создании новых перспективных структур заранее предсказывать и обосновывать их надежность и время до отказа.

Теория стабильности интерфейсов в проблемах надежности и долговечности ИС
Схематическая иллюстрация синусоидального возмущения (волнового числа k) на изначально плоской границе раздела фаз α и β. Амплитуда профиля поверхности h(x,t) развивается под действием потока атомов A и B, JA и JB , соответственно, которые движутся под действием потока электрического тока
Теория стабильности интерфейсов в проблемах надежности и долговечности ИС
Реальные изображения различных дефектов, возникающих при деградации интерфейсов, попадающих в зону неустойчивости 1. Russian Microelectronics – 2021 – V.50(5) – p. 339–346. 2. Phys. Mesomechanics – 2021 – V.24 (in press).
Important results

Авторы: Ю.И. Богданов, Н.А. Богданова, К.Г. Катамадзе, Г.В. Авосопянц, В.Ф. Лукичев

Анализ статистики фотонов квантовых состояний света является важнейшим инструментом, использующимся в оптических квантовых информационных технологиях для прецизионного контроля квантовых источников, каналов и детекторов. Для того, чтобы на основе ограниченного набора экспериментальных данных получить максимальную информацию о параметрах системы, необходимо разработать адекватную, полную и точную модель статистического распределения фотонов. В рамках этого направления в 2020 году было разработано две новых модели распределений по числу фотонов. Первая описывает статистику m-модовой подсистемы M-модового теплового состояния, при условии, что в нем было уничтожено K фотонов (см. рис.) [1]. Вторая модель определяет гиперпуассоновскую статистику и описывает число бозонов в заданной подсистеме конечномерной многоуровневой системы в условиях, когда полное число частиц является случайной величиной, имеющей распределение Пуассона. [2]. Было продемонстрировано, что обе модели можно эффективно использовать для восстановления параметров различных квантовых состояний света, квантовых каналов и квантовых детекторов.

Разработка прецизионных методов анализа многофотонных квантовых состояний
Статистика m-модовой подсистемы M-модового теплового состояния, при условии, что в нем было уничтожено K фотонов
  1. K. G. Katamadze, G. V. Avosopiants, N. A. Bogdanova, Yu. I. Bogdanov, S. P. Kulik Multimode thermal states with multiphoton subtraction: study of the photons number distribution in the selected subsystem // Physical Review A. 101, 013811 (2020)
  2. Yu. I. Bogdanov, N. A. Bogdanova, K. G. Katamadze, G. V. Avosopyants & V. F. Lukichev Hyper-Poisson Photon Statistics // JETP Letters volume 111, p. 543–548(2020)
Important results

Авторы от ФТИАН им. К.А. Валиева РАН: А.В. Мяконьких, А.Е. Рогожин, А.А. Ломов, К.В. Руденко
Авторы от ИФП СО РАН: В.П. Попов, В.А. Антонов, Ф.В. Тихоненко

Для развития новой элементной базы вычислительных архитектур в парадигме “In Memory Computing” исследована возможность создания пластин кремний-на-диэлектрике со сверхтонким скрытым ферроэлектрическим слоем с высокой диэлектрической проницаемостью (UTBOX) путем атомно-слоевого осаждения (ALD) композитных слоев HfO2:Al, HfO2:Zr на сапфировые и кремниевые подложки с последующим переносом монокристаллического приборного слоя кремния на их поверхность бондингом по технологии DeleCut и термообработки RTA. В структуре кремний на сегнетоэлектрике (SOF) впервые была обнаружена чрезвычайно высокая термическая стабильность сегнетоэлектрической фазы ромбического Pca21 оксида гафния до температуры 1100oC. Проведены структурные измерения при помощи рентгеновской дифракции и подтвержден сегнетоэлектрический гистерезис в псевдо-MOSFET конфигурации. Структуры кремний – ферроэлектрический BOX – кремний (SFS) на основе оксида гафния и включениями оксида алюминия также демонстрируют повышенную термическую стабильность во время быстрых термических отжигов при температуре до 900°C, что делает их полностью совместимыми с текущей технологией CMOS и открывает перспективы создания оптоэлектронных и нейроморфных интегральных схем с проектными нормами до 22 нм на основе планарных транзисторов c двойным затвором DG FeFET, где активным ферроэлектриком является UTBOX.

  1. V.P. Popov,  V.A. Antonov,  A.K. Gutakovskiy,  A.V. Miakonkikh,  K.V. Rudenko, Hafnia and alumina stacks as UTBOXs in silicon-on insulator // Solid-State Electronics, 2020, 168, 107734, 10.1016/j.sse.2019.107734
  2. V.P. Popov, V.A. Antonov, F.V. Tikhonenko, S.M. Tarkov, A.K. Gutakovskii, I.E. Tyschenko, A.V. Miakonkikh, A.A. Lomov, A.E. Rogozhin, K.V. Rudenko, Robust Semiconductor-on-Ferroelectric Structures with Hafnia-Zirconia-Alumina UTBOX/ Stacks Compatible with the CMOS Technology // Applied Physics Letters (статья направлена 15 сентября 2020 г)

 

Important results

Авторы: И.В. Уваров, В.В. Наумов, О.М. Королева, Е.И. Ваганова, М.О. Изюмов, И.И.  Амиров

Разработан электромеханический переключатель микронных размеров. Изделие представляет собой подвижную металлическую балку, расположенную над управляющими и сигнальными электродами. Различные варианты исполнения представлены на рисунках. В переключателе использован электростатический принцип управления. Основным отличием изделия от известных МЭМС-переключателей является встроенный механизм активного размыкания, обеспечивающий защиту контактов от залипания. Ключ изготавливается по технологии микросистемной техники на пластинах кремния или арсенида галлия. Процесс изготовления совместим с технологией интегральных схем. Основные рабочие характеристики изделия представлены в таблице. Переключатель сочетает в себе достоинства традиционных электромеханических и полупроводниковых ключей, и поэтому рассматривается в качестве альтернативы этим изделиям в радиоэлектронных устройствах ВЧ- и СВЧ-диапазонов.

Рисунок – МЭМС-переключатель в различных конфигурациях

 

Таблица. Рабочие характеристики МЭМС-переключателя.

Латеральный размер, мкм2

100х100

Коммутируемая мощность, мВт

< 25

Управляющее напряжение, В

12 – 45

Диапазон частот, ГГц

0 – 6

Время срабатывания, мкс

15

Число циклов коммутации

> 5×104

 

  1. Уваров И.В., Марухин Н.В., Шлепаков П.С., Лукичев В.Ф. Микроэлектроника, 2020, Том 49, № 4, С. 271-280.
  2. Uvarov I.V., Selyukov R.V., Naumov V.V. Microsystem Technologies, 2020, Vol. 26, P. 1971-1980.
  3. Uvarov I.V., Marukhin N.V., Naumov V.V. Microsystem Technologies, 2019, Vol. 25, P. 4135-4141.
  4. Uvarov I.V., Kupriyanov A.N. Microsystem Technologies, 2019, Vol. 25, P. 3243-3251.
  5. Уваров И.В., Куприянов А.Н. Микроэлектроника, 2018, Том 47, № 5, С. 30-37.
  6. Uvarov I.V., Naumov V.V., Koroleva O.M., Vaganova E.I., Amirov I.I. Proceedings of SPIE, 2016, Vol. 10224, 102241A.
  7. Уваров И.В., Наумов В.В., Королева О.М., Ваганова Е.И., Амиров И.И. Нано- и микросистемная техника, 2016, Том 18, № 9, С. 582-588.
Important results

Авторы от ФТИАН им. К.А. Валиева РАН: А.В. Мяконьких, К.В. Руденко

Сегнетоэлектрический транзистор FeFET, в котором одновременно реализуются функции логики и памяти состояния, аналогично биологическим нейронам является кандидатом для организации эффективных нейроморфных вычислений и реализации нейронных сетей на новых принципах. Показана приборная структура и выходная характеристика двухзатворного FeFET, использующего захороненный сегнетоэлектрический слой с отдельным управляющим затвором.

В измерениях в режиме псевдо-FET изготовленные структуры SOF демонстрируют плотность ловушек              Dit < 1012 см-2 и сегнетоэлектрический гистерезис (окно памяти) MW ~ 1 В при коэрцитивных электрических полях < 104 В/см.

  1. State Electron., vol. 159, pp. 63-70, (2019).
  2. EUROSOI-ULIS, Grenoble, France, 2019, pp. 1-4, doi: 10.1109/EUROSOI-ULIS45800.2019.9041896
Important results

Основные авторы разработки: Рудый А.С., Мироненко А.А., Наумов В.В.

Область применения: производство смарт-карт и RFID-меток

Разработана лабораторная технология изготовления полностью твердотельных тонкопленочных литий-ионных аккумуляторов (ТТЛИА) электрохимической системы LiCoO2 – LiPON -Si@ O@ Al. Структура аккумулятора изображена на рис. 1. Аккумуляторы изготавливались методом магнетронного распыления на установке SCR 651 Tetra производства Alcatel. Испытания аккумуляторов проводились методом гальваностатического циклирования на установке АЗРИВК 0,05А-6В производства ООО

«АК Бустер» и гальваностате-потенциостате P-20×8. На рисунке 2 показан скол одного из промежуточных вариантов ТТЛИА и зарядно-разрядные кривые макета ТТЛИА.

По разработанной технологии в рамках договора ЯФ ФТИАН им. К.А. Валиева РАН с НИИТМ на выполнение НИР по теме: «Выбор электрохимической системы, разработка лабораторной технологии изготовления и изготовление макетных образцов твердотельного тонкоплёночного литий-ионного аккумулятора» от 2 сентября 2020 г. изготовлены макеты ТТЛИА (рис. 3) для RFID-меток.

 

Структура ТТЛИА
Структура ТТЛИА