Интерпретация полученного изображения.

Для увеличения количества информации, получаемой с помощью электронно-микроскопического изображения и изучения деталей малой интенсивности, используют специальные приемы обработки изображений. Так, если провести обработку изображения методом быстрого преобразования Фурье, можно получить информацию, аналогичную результату такого преобразования обычной дифракционной картины.

В настоящее время созданы и постоянно совершенствуются мощные компьютерные программы для моделирования и количественного анализа изображений с регулярной (нерегулярной) структурой, включая фурье-преобразование и фильтрацию.

Объекты исследования методом ВРЭМ: нанопроволока, нанопорошки различных металлов и сплавов, нанокристаллические сплавы, где размер зерен составляет десятки нанометров, многослойные гетероструктуры на основе пленок сегнетоэлектриков, металлов, сверхпроводящих соединений, используемые в наноэлектронике, углеродные нанотрубки различных типов – многослойные, однослойные, заполненные фуллеренами и т.д.

25. Методы ПРЭМ для исследования микро- и наносистем: изображение с z-контрастом и методы их моделирования

Просвечивающая растровая микроскопия (ПРЭМ) — один из типов просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ). Пучок электронов пропускается через относительно тонкий образец, но, в отличие от обычной просвечивающей электронной микроскопии, электронный пучок фокусируется в точку, которая перемещается по образцу по растру.

В ПРЭМ в качестве полезных сигналов используют прошедшие через тонкий образец электроны при ускоряющих напряжениях выше 100 кВ.

Применяют метод темнопольной микроскопии с регистрацией электронов, рассеянных на большие углы.

Упругорассеянные электроны распределяются в широком интервале углов рассеяния, а неупругорассеянные электроны распределяются в узком интервале углов рассеяния. Поэтому можно провести селекцию упругорассеянных электронов путем детектирования электронов, рассеянных на высокие углы. В данном методе не детектируются прошедшие электроны, находящиеся в центре картины электронной дифракции. Поэтому сигнал, полученный методом сканирования пучка в просвечивающем электронном микроскопе (ПРЭМ), формирует темнопольное ПРЭМ- изображение. Для обеспечения высокой эффективности детектирования используется детектор кольцевой формы. Такой режим детектирования называется темнопольным методом детектирования электронов, рассеянных на большие углы, при помощи кольцевого детектора (HAADF-метод) (high-angle annular dark field).

На рисунке 5.38. показан принцип HAADF-метода. Частичное поперечное сечение рассеяния распределения электронов в кольцевой области, покрываемой кольцевым детектором, может быть получено интегрированием интенсивности резерфордовского рассеяния в пределах угла рассеяния от θ₁ до θ_2.

Интенсивность сигнала HAADF-детектора пропорциональна квадрату атомного номера Z. Следовательно, контраст изображения сильно зависит от Z, и HAADF-изображения иногда называют изображением с Z-контрастом.

Так как изображение формируется некогерентными электронами, в отличии от обычных изображений, полученных методом ВРЭМ или светлопольной ПРЭМ, интерпретация HAADF-изображения является довольно простой. Более светлый контраст на изображении прямо указывает на присутствие тяжелых элементов при условии равномерной толщины образца. Получение HAADF-изображений является достаточно привлекательным методом из-за простоты интерпретации и возможности электронного усиления контраста данных изображений. С другой стороны, необходимо проявлять осторожность в отношении изменения толщины образца и дифракционного контраста при попытке количественной оценки контраста HAADF-изображения.

Применение:

 Эта методика позволяет " разглядеть" отдельные атомы на поверхности кластера. В [1] она использована для исследования кластеров золота Au_N с N = 50 ¸ 1500, полученных в газовой фазе и осажденных на подложку из аморфного углерода.

Можно получать изображения пленок ТБС на подложке MgO (лекции).

При исследовании частиц можно узнать, как в ней распределены те или иные элементы. Кроме того, расположение детектора позволяет использовать прошедший через образец пучок для того, чтобы извлечь дополнительную информацию.

HAADF-детектор позволяет различить разные элементы по контрасту изображения. Но однозначно установить, какие именно элементы присутствуют в наночастице, можно, анализируя энергетические потери неупруго рассеянных электронов прошедшего пучка. Такой метод называется спектроскопией характеристических потерь энергии электронами (electron energy loss spectroscopy, EELS). Сочетание же этих двух методов позволяет построить «карты» элементного распределения в отдельной наночастице с атомарным разрешением.

27. Современные методы пробоподготовки для исследования микро- и наносистем: ФИП, ионное травление, криомикроскопия

 

 

28. ЗУПВ (DRAM): принципы работы, технология, сравнительные характеристики, перспективы развития.

Проблемы интеграции: технологии конформного осаждения при высоком аспектном соотношении, сохранение параметров в сверхтонких слоях, высокие температуры кристаллизации, взаимодиффузия (рис. П4).

Стадия реализации: опытные образцы, подготовка к массовому производств

 

Рис. П3.
Схемы ячеек DRAM различных компаний:
а —NEC;
б —Mitsubishi Electric Company;
в —U.S. DRAM Consortium, Samsung Electronics, NEC

Рис. П4.

Конденсаторный элемент ЗУПВ с пленкой ТБС:

а— микрофотография;

б— схем

Принцип работы

На физическом уровне память DRAM представляет собой набор ячеек, способных хранить информацию. Ячейки состоят из конденсаторов и транзисторов, расположенных внутри полупроводниковых микросхем памяти. Конденсаторы заряжают при записи в ячейку единичного бита и разряжают при записи в ячейку нулевого бита. При прекращении подачи электроэнергии конденсаторы разряжаются, и память обнуляется (опустошается). Для поддержания необходимого напряжения на обкладках конденсаторов (для сохранения данных) конденсаторы необходимо периодически подзаряжать. Подзарядку выполняют путём подачи на конденсаторы напряжения через коммутирующие транзисторные ключи. Необходимость постоянной зарядки конденсаторов (динамическое поддержание заряда конденсаторов) является основополагающим принципом работы памяти типа DRAM.

Принцип действия: используются высокие значения диэлектрической проницаемости сегнетоэлектриков ε = 300...1000 (high-k dielectrics); применяются сегнетоэлектрики в параэлектрической фазе (наиболее перспективный материал — ТБС).

Технология

На начальном этапе создания устройств мегабитной емкости применение в технологии ЗУПВ тонких пленок оксинитрида кремния SiO x N y в структуре трехмерного поликремниевого конденсатора обеспечивало необходимую для получения требуемых чувствительности и помехоустойчивости емкость (25 фФ). С повышением степени интеграции конструкции конденсаторного элемента все более усложнялись, поскольку требовалось увеличение площади конденсаторного элемента. Такие трехмерные конструкции чрезвычайно сложны в изготовлении, и в настоящее время достигнут их технологический и стоимостной предел. С переходом на технологию 130 нм и менее удерживать необходимую емкость 25 фФ становилось все сложнее. Это обстоятельство стимулировало внедрение новых диэлектрических материалов с высокой диэлектрической проницаемостью, а также новых материалов электродов В технологии до 130 нм еще возможно использование поликремниевого нижнего электрода и 3D-ячейки с Та₂О₅ — диэлектриком и металлическим верхним электродом (структура металл-диэлектрик-кремний). Для этого уровня технологии достаточна диэлектрическая проницаемость Та₂О₅, равная 22. При переходе на технологии менее 130 нм потребовалась замена поли- кремния (материал нижнего электрода) металлом, например платиной или оксидом рутения RuO₂. Использование структуры металл-диэлектрик-металл (МДМ) позволяет повысить эффективную диэлектрическую проницаемость до 50 благодаря предотвращению окисления электрода и его ориентирующему воздействию на кристаллическую структуру диэлектрического слоя. При уровне технологии 90 нм и менее возникла необходимость повышения диэлектрической проницаемости диэлектрика, чтобы уменьшить аспектное соотношение конденсаторной ячейки. Это обстоятельство стимулировало исследования сегнетоэлектрических материалов, особенно ТБС, диэлектрическая проницаемость которого превышает 200. При достижении технологического уровня 90 нм в качестве нижнего электрода целесообразно использование металла (платины, рутения) или проводящих оксидов (RuO₂, IrO₂), обладающих стойкостью к окислению и оказываю- щих сильное ориентирующее воздействие на рост пленки диэлектрика. С точки зрения температурного режима эти электроды должны быть сформированы при низких температурах с использованием методов химического осаждения из газовой фазы (CVD). Однако для формирования кристаллической структуры необходимой остается операция высокотемпературного отжига. Уменьшение температуры отжига — один из критических факторов для минимизации деградации характеристик прибора при использовании металлических слоев в качестве битовых линий. Внедрение ТБС в технологию создания ЗУПВ планировалось уже в 2007 г. при топологической норме 65 нм. Однако решить проблемы интеграции новых диэлектриков в отрасли не удалось, а при разработке технологии было решено пойти по пути дальнейшего увеличения аспектного соотношения. Постепенно доминирующей проблемой становились утечки заряда в кремниевых подложках. В связи с этим для технологии 65 нм и менее ожидаемый переход к использованию структур «кремний-на-изоляторе» (КНИ) произошел практически в намеченные сроки

Сравнительные характеристики Основные характеристики: удельная емкость диэлектрика более 200 фФ/мкм2 обеспечивает потребности технологии при топологических нормах менее 32 нм (рис. П3).

Характеристика	DRAM**
Энергонезависимость	Нет
Время хранения, годы	-
Время считывания, нс	70
Перезапись данных: метод,цикл	Перезапись 70 нс
Стирание данных	Нет
Число циклов записи	Нет ограничений

Перспективы развития

Тенденция увеличения емкости ЗУПВ в 4 раза каждые три года обеспечивается следующими основными факторами: уменьшением минимального топологического размера (в 2 раза), увеличением размера кристалла (примерно в 1,4 раза), уменьшением фактора площади ячейки (примерно в 1,4 раза). Дальнейшее увеличение размеров кристалла сдерживается экономическими причинами, а уменьшение фактора площади ячейки ограничено физическим пределом.

При достижении уровня технологии 45 нм рассчитывают использовать новые диэлектрические материалы с диэлектрической проницаемостью около 700, такие как, например, эпитаксиальные слои ТБС. В технологии эпитаксиального роста ТБС в последние годы достигнуты значительные успехи. Однако до настоящего времени нет технологических решений, отвечающих требованиям современного полупроводникового производства, с использованием подложек кремния диаметром 300…450 мм. Более того, даже если такие технологии и материалы были бы разработаны, сдерживающим фактором стал бы процесс формирования верхнего, металлического, электрода при очень высоком аспектном соотношении ячейки. Следовательно, при уровне технологии 45 нм и менее в дополнение к новым материалам и процессам отрасль нуждалась бы в разработке новой архитектуры ячейки

Главный резерв, по мнению экспертов, состоит в резком увеличении аспектного соотношения (до 100 и более). Эти прогнозы связаны с надеждами индустрии на быстрое освоение метода ALD, потенциально обеспечивающего конформное осаждение диэлектриков на рельефы со столь высоким аспектным соотношением.

 

 

 29. Наноструктуры на основе ферромагнитных пленок для устройств магниторезистивной памяти

Элементарной ячейкой магниторезистивной памяти является многослойная структура (рис. 6), в которой объединены ферромагнитный запоминающий элемент и туннельный магниторезистивный датчик (англ. TMRcells) (см. вопрос 17 про спинтронику и гигантское магнетосопротивление). Ферромагнетик запоминающего слоя, хотя и имеет коэрцитивную силу, достаточную для того, чтобы долго сохранять записанную информацию, все же может быть перемагничен достаточно сильным внешним магнитным полем. Его называют «свободным» ферромагнитным слоем (англ. Free layer). А магнитожесткий слой выполняет функцию постоянного магнита, его коэрцитивная сила намного больше, и направление намагниченности остается неизменным. Соответственно его называют «фиксированным» или «закрепленным референтным» ферромагнитным слоем (англ. Pinned reference layer).

На графике справа приведена типичная зависимость электрического сопротивления такой ячейки от напряженности внешнего магнитного поля. Когда запоминающий («свободный») слой намагничен противоположно референтному ферромагнитному слою, то электрическое сопротивление ячейки велико. Когда же внешнее магнитное поле превышает его коэрцитивную силу и запоминающий слой перемагничивается, то электрическое сопротивление ячейки резко падает и остается низким и после исчезновения внешнего магнитного поля. Это позволяет в любой момент проверить, в каком состоянии («0» или «1») находится запоминающий элемент ячейки [5].

Оперативную память, построенную из таких ячеек, в англоязычных источниках называют MRAM (magnetoresistive random-access memory), у нас – магниторезистивным оперативным запоминающим устройством или магниторезистивным ОЗУ (МРОЗУ). Магниторезистивные ячейки типа показанной на рис. 6 могут быть очень малы (вплоть до 10 нм) и довольно плотно упакованы. Наибольшую плотность упаковки обеспечивает матричная организация, когда ячейки памяти размещают на пересечениях двух взаимно перпендикулярных систем шин-электродов (рис. 7 слева) [5].

Для хранения информации в МРОЗУ потребление электрического тока не требуется. Информация надежно хранится и при отключенном питании. В этом заключается значительное преимущество магниторезистивной памяти перед обычными видами оперативной памяти, в которых информация при отключении питания теряется. Из-за этого при включении компьютеров мы вынуждены некоторое время ждать «загрузки» их программного обеспечения из дисковой памяти в оперативную. При применении МРОЗУ такого нет. Как только компьютер включается, все программы и файлы, задействованные в предыдущем сеансе работы, сразу же готовы к продолжению работы [5].

Преимуществами перед флеш-памятью является неограниченность числа циклов перезаписи, меньшее энергопотребление в процессе работы, широкий диапазон рабочих температур (от –40 до +150°С), повышенная радиационная стойкость и более длительный срок хранения данных – теоретически не ограниченный. Поэтому МРОЗУ заслуживает названия «универсальной» памяти, так как может использоваться и как постоянная, и как оперативная, и как перезаписываемая, и как долговременная энергонезависимая память [5].

 

 

30.Энергонезависимые перепрограммируемые СЗУ (FRAM)

Рис. П1.

Схема ячейки СЗУ

Рис. П2.

Петля гистерезиса сегнетоэлектрика

Проблемы интеграции: высокие температуры кристаллизации, взаимодиффузия, деградация свойств в ходе последующих технологических циклов.

Стадия реализации: серийное производство с повышением степени интеграции.

Принцип работы

Одной из важнейших областей применения сегнетоэлектрических пленок в микроэлектронике являются энергонезависимые перепрограммируемые ЗУ, в которых состояния логического нуля и логической единицы обеспечиваются возможностью поляризации сегнетоэлектрика в двух противоположных направлениях. Сегнетоэлектрическая пленка поляризуется внешним электрическим полем и в течение длительного времени после отключения поля сохраняет состояние поляризации (остаточная поляризация). Для СЗУ характерны малое время записи/считывания (менее 1 нc), длительное время хранения информации (более 10 лет), большое число циклов записи/считывания (10¹²–10¹⁴), а также высокая надежность хранения информации при воздействии внешних факторов.

Принцип действия: для энергонезависимого хранения информации используется

переключение вектора спонтанной поляризации сегнетоэлектрика внешним электрическим полем.

Технология

Наибольшее распространение в настоящее время получил способ организации СЗУ, где используется сегнетоэлектрический конденсатор с металлическими обкладками. Ячейка ЗУ обычно состоит из одного транзистора и одного сегнетоэлектрического конденсатора. При изготовлении типичной ячейки СЗУ на первом этапе используется стандартный КМОП-процесс (комплементарная структура металл-оксид полупроводник; англ. сomplementary metal-oxide-semiconductor — CMOS) изготовления транзисторных структур. После создания изолирующего диэлектрика формируют сегнетоэлектрический конденсатор посредством создания нижнего электрода, осаждения сегнетоэлектрического слоя и нанесения верхнего электрода. После формирования контактов для обкладок конденсатора используют стандартный КМОП-процесс создания межуровневой металлизации.

Корпорация Samsung использует похожую трехслойную систему электродов, в которой к слою ЦТС прилегает платина, оказывающая ориентирующее действие и не препятствующая выходу из пленки кислорода, затем следует переходный слой оксида иридия IrO _x, обладающий барьерными свойствами, и далее — иридий, обеспечивающий омический контакт.

Компания Hynix (Южная Корея), в отличие от других производителей, применяет соединения титаната висмута-лантана (Bi_{1– x} La _x)₄Ti₃О₂.