Основные направления исследований
Основные результаты прикладных исследований
Руководитель лаборатории– гл.н.сотр., проф., д.ф.м.н Тариэль Михайлович Махвиладзе
+74991241000,
Секретарь еженедельного семинара «Моделирование в микро- и наноэлектронике» (среда, 10-00) – Владимирова Надежда Леонидовна, ведущий инженер,
+74991241133; +79167330282
Основные направления исследований
Создание, на основе фундаментальных теоретических исследований, адекватных и полных физических, механических, физико-химических, математических и компьютерных моделей актуальных процессов нано- и микроэлектронной технологии
Разработка пакетов прикладных программ для проведения численных экспериментов с целью выработки перспективных технологий, оптимизации методов формирования актуальных нано- и микроструктур
Применение результатов моделирования для целенаправленного проектирования и разработки технологии перспективных ИС и их основных структурных элементов, для оптимизации методов и условий их функционирования и для анализа их деградации, долговечности и эксплуатационной надежности, оптимизации структурных, рабочих и прочностных характеристик.
Разработаны фундаментальные научные основы, проведены необходимые теоретические исследования, впервые созданы комплексные математические и вычислительные модели и осуществлено компьютерное моделирование основных процессов, используемых в нано- и микроэлектронной технологии: фотолитографии, электронной и рентгеновской литографии, электронной литографии высоких энергий с учетом релятивистских эффектов, процессов литографии ВУФ- и EUV, ионной литографии, СVD-осаждения и роста тонкопленочных структур, роста эпитаксиальных структур, плазмохимического травления, быстрой термической обработки, физико-химической обработки структурированных пластин, корпусирования, процессов создания и функционирования актуальных элементов MRAM и др. Была впервые развита полная и детальная теория электромиграции; на её основе разработана общая теория электромиграционного разрушения тонкопленочных проводников ИС и впервые объяснены основные экспериментальные закономерности (дан вывод феноменологического уравнения Блэка, установлены зависимости времени до отказа различных систем металлизации в разнообразных условиях функционирования и т.д.). Разработаны методы описания и анализа адгезионных свойств многослойных тонкопленочных соединений и контактов и прочностных характеристик соединенных материалов в зависимости от их микроструктуры и дефектности.
Развиты новые эффективные методы моделирования, в частности, общий оптимизационный метод моделирования технологических процессов, метод обратной задачи для литографических процессов и основанные на нём методы коррекции эффектов близости, метод размножения траекторий в статистическом моделировании, методы атомистического ab initio моделирования процессов осаждения и роста пленочных наноструктур, метод моделирования гигантского магниторезистивного эффекта (GMR), методы анализа влияния температурных полей и термоупругих напряжений на формирование и функционирование микро- и наноструктур,
В связи с исследованием актуальных процессов технологии планарных и объемных ИС, а также в связи с развитием квантово-компьютерных технологий, был получен ряд новых результатов, относящихся к теории фазовых переходов, теории когерентности, теории самоорганизующихся диссипативных и равновесных структур и их возможностей для формирования сети кубитов. В частности, была развита общая теория фотохимических реакций в полях с произвольной степенью когерентности, сформулирован обобщенный закон действующих масс и другие соотношения формальной фотохимической кинетики. Предсказаны эффекты фотохимической бистабильности в автокаталитических реакциях. Была установлена возможность существования диссипативных самоорганизующиеся структур в открытых резонаторах с периодическими границами. Были введены когерентные состояния глауберовского типа в обобщенной теории угловых моментов, предложен и детально разработан метод унитарной симметрии для описания кооперативных эффектов; эти подходы эффективно используются для исследования различных когерентных эффектов (сверхизлучение, фотонное эхо, термодинамика и бозе-эйнштейновская конденсация в модели Дике и др.) В многоуровневых системах и в нелинейных средах были предсказаны и исследованы эффекты фотонного эхо, сверхизлучения и сверхрассеяния, солитоны ВКР. Предсказаны и изучены светоиндуцированные фазовые переходы, в частности, фазовые переходы газ-жидкость под действием резонансного излучения. При исследованиях термодинамики системы излучателей в условиях сильного взаимодействия с резонансными полями были предсказаны эффекты бозе-конденсации фотонов и эффекты безынверсной генерации в различных излучающих средах, в частности, фазовый переход в системе многоуровневых молекул и конденсация фотонов при фазовом переходе в сегнетоэлектрическое состояние. Предложены и исследованы способы формирования сети кубитов на основе этих диссипативных и равновесных самоорганизующихся систем, в которых могут возникать упорядоченные структуры, обладающие свойствами, перспективными для организации сети кубитов. Дана теория эффектов прямого травления полимерных пленок в потоках квантов и частиц, на основе которой изучены эффекты структурирования в различных методах литографии с использованием полимерных резистов.
Последние результаты были получены в ходе актуальных исследований электромиграционной надежности сложных межсоединений и систем металлизации, разработки теории адгезионной устойчивости многослойных материалов, исследовании адсорбции точечных дефектов в интерфейсах многослойных структур и влияния этого процесса на кинетику образования и роста трещин в таких структурах, разработки теории химико-механической планаризации, кинетики преципитации дефектов при отжиге кремниевых пластин.
Разработан общий термодинамический подход к описанию зависимостей прочностных свойств межслойных границ тонкопленочных структур, актуальных и перспективных для использования в наноэлектронике и для исследования квантово-компьютерных структурных элементов, от содержания в них точечных дефектов разной природы, изучены основные прочностные характеристики границ соединенных слоёв: коэффициенты поверхностного натяжения и работа их разделения в зависимости от концентраций дефектов в граничащих материалах. Обоснованы и сформулированы основные положения модели роста трещин по интерфейсной границе соединенных твердотельных материалов. Для трещин, распространяющихся вдоль интерфейсов между слоями различных упругих материалов, получены критерии увеличения либо уменьшения длины трещины. Построена теория неоднородной кислородной преципитации, позволившая исследовать кинетику формирования внутреннего встроенного геттера с учетом действия возникающих механических напряжений.
В рамках общей теории нестабильных интерфейсов впервые сформулированы и получены решения уравнений, описывающих процессы влияния электрического поля и различных механических напряжений на устойчивость границ (интерфейсов) соединенных материалов под совместным действием электрического тока и механических напряжений, влиянием структурных, материальных и геометрических характеристик, наличием примесей, остаточных напряжений, а также эксплуатационными параметрами и другими причинами, влияющими на работоспособность и время до отказа планарных и объёмных ИС. Долговечность современных ИС в значительной степени определяется надежностью интерфейсов. Деградация интерфейсов, в большом количестве формируемых на стадии BEOL-технологий (различных приборных структур, систем металлизации, контактных окон и др.), исследована методами теории возмущений, позволяющими выявить критерии нарастания амплитуды малых возмущений интерфейса со временем, приводящих к неустойчивости изначально плоских форм интерфейсов. Выявлены зоны неустойчивости интерфейсов разной степени сложности в зависимости от внешних условий (температуры, плотности тока и остаточных механических напряжений). Получены опытные подтверждения критериев устойчивости и параметров, определяющих зоны стабильности, для широко применяемых интерфейсных структур, исследованы соответствующие времена до отказа.
Основные результаты прикладных исследований
Проведенные в лаборатории исследования, включая полученные теоретические результаты, результаты численного моделирования, созданные прикладные программы, практические выводы и рекомендации широко используются в интересах российских разработчиков как для исследования возможностей и перспектив новых технологических процессов создания ИС, так и для совершенствования технологии, контроля, диагностики и управления уже внедренными процессами. В рамках многих контрактных и хоздоговорных работ с ведущими компаниями – производителями электронной техники, как с отечественными, так и с крупнейшими зарубежными компаниями, были созданы многофункциональные пакеты прикладных программ, эффективно используемые специалистами этих организаций. В частности, лаборатория выполнила контрактные работы по более тридцати проектам с научно-исследовательскими отделами ведущих производителей электроники России, США, Европы.
К последним основным прикладным результатам относится, в частности, первое исследование стабильности интерфейсов, в большом количестве формируемых на стадии BEOL-технологий, их долговечности и надежности. Эти результаты важны для практики, поскольку исследование зон стабильности даёт возможность развития технологии наноструктур с предварительным целевым проектированием, что приведёт к экономии ресурсов, так как при создании новых перспективных структур позволит заранее предсказывать и обосновывать их надежность и время до отказа.
В настоящее время работы ведутся в рамках ПФНИ по проектам “Фундаментальные и прикладные исследования в области создания перспективной элементной базы наноэлектроники 2019” (№ 0066-2019-0004)(2019-2021гг.), “Фундаментальные и поисковые исследования в области создания перспективной элементной базы наноэлектроники и ее ключевых технологий” (2022-2024 гг.)
- Т.М. Махвиладзе, М.Е. Сарычев. Влияние точечных дефектов на скорость электромиграции по границе соединенных материалов // Микроэлектроника. 2020. Т.49. № 6. С.450-458. DOI: 10.31857/S0544126920050051
- M. Makhviladze and M. E. Sarychev. Effect of Point Defects on the Electromigration Rate at the Interface of Combined Materials // Russian Microelectronics, 2020, Vol. 49, No. 6, pp. 423–430 (анг.).DOI: 10.1134/S1063739720050054
- Т.М. Махвиладзе, М.Е. Сарычев Влияние точечных дефектов на возникновение электромиграции в проводнике с примесью // Микроэлектроника. 2021. Т.50. N 5. C.376-383. DOI: 10.31857/S0544126921040074
- M. Makhviladze, M. E. Sarychev. Influence of point defects on the initiation of electromigration in an impurity conductor // Russ. Microelectronics. 2021. Vol. 50, №5, P. 339-346. DOI: 10.1134/S1063739721040077
- M. Makhviladze, M. E. Sarychev. Instability of conductive layer boundaries of integrated circuit elements under the action of electric current and mechanical stress. // Phys. Mesomechanics. 2021. Vol. 24 (in press).
- Makhviladze, M. Sarychev. Towards the problem of IC reliability: instability of the shape of the boundary of adjoining conductive films under the action of electric current and mechanical stresses. The 14th Int. Conf. ICMNE-2021. Oct. 4-8, 2021 Zvenigorod, Moscow Region. Book of Abstract. Oct.4-8, 2021. O-28, p.38. DOI: 10.29003/m2433.ICMNE-2021
International web-Conference «16TH GRANADA SEMINAR: NEW FRONTIERS IN NONEQUILIBRIUM STATISTICAL PHYSICS (From fundamentals, fluctuations and hydrodynamics to biology and quantum nonequilibrium). June 7-17, 2021». The oral presentations (roundtable sessions):
- M.Мakhviladze. Unstable interfaces in nano- and microelectronics (non-equilibrium statistical methods of discription). International web-Conference «16TH GRANADA SEMINAR: NEW FRONTIERS IN NONEQUILIBRIUM STATISTICAL PHYSICS». June 7-17, 2021». The oral presentations.
- М.Е.Sarychev. Methods of physical kinetics for the analysis of the influence of nonequilibrium defects on electromigration in alloys. International web-Conference «16TH GRANADA SEMINAR: NEW FRONTIERS IN NONEQUILIBRIUM STATISTICAL PHYSICS (From fundamentals, fluctuations and hydrodynamics to biology and quantum nonequilibrium). June 7-17, 2021».». The oral presentations.