Перспективные технологии записи и хранения информации

Лекция 18
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ЗАПИСИ И ХРАНЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ
С точки зрения новизны и радикальности подходов (а следовательно, и необходимых для реализации материально–экономических ресурсов и затрат времени) можно обозначить три основных направления:

развитие наноэлектроники путем эволюционного совершенствования существующих «кремниевых» планарных технологий;
более глубокое модифицирование планарной технологии и распространение ее на другие материалы и ситуации;
создание принципиально новой электроники следующих поколений на основе «некремниевых» устройств и физических принципов.

Эти революционные идеи предполагают использование квантовых сверхпроводящих компонентов, нанотрубок, фуллеренов и их производных, оптотроники, биоэлектроники, квантового распределенного компьютинга, одноэлектроники, спинтроники и др.

На каждом направлении развития наноэлектроники существует несколько групп предложений различной степени новизны и трудности осуществления. В первую очередь целесообразно представить себе, каковы фундаментальные пределы миниатюризации и чем они обусловлены. Можно выделить три группы принципиальных причин, накладывающих ограничения на дальнейшее уменьшение размеров отдельных элементов в БИС:

термодинамические;
электродинамические;
квантовомеханические.

Первая из них обусловлена конечной температурой объектов, хаотическим тепловым движением атомов и электронов, нагревом вследствие протекания тока (джоулевым тепловыделением и условиями теплоотвода), действием первого и второго начала термодинамики (в частности, стремлением к росту энтропии и потере информации в системе), особенностями обратимых и необратимых процессов в нанообъектах и др.

Электродинамические ограничения вызваны инерционностью емкостей и индуктивностей в схеме, что препятствует быстрому изменению напряжений и токов при переходе от одного состояния к другому (например, при работе логических ключей в микропроцессоре или ячеек динамической памяти). Конечная скорость распространения электромагнитных волн (особенно в присутствии проводников, ферромагнетиков, ферроэлектриков), движения носителей заряда, перемагничивания ферромагнетиков или переполяризации диэлектриков накладывает дополнительные ограничения на быстродействие.

Третья группа причин проявляется при уменьшении характерных размеров объекта R до атомарных масштабов. При этом начинает становиться заметной атомная и электронная дискретность в явлениях переноса, взаимодействия частиц и т.п. Приближение R к длине волны де Бройля для электронов приводит к деформации и дискретизации электронных спектров, изменению электрических, магнитных и оптических свойств вещества. Снижение массы (а следовательно импульса p и энергии Е частицы) приводит к росту неопределенности ее положения (х, у, z) и длительности существования данного состояния (t) в соответствии с принципом неопределнности Гейзенберга: p_х х ≥ и Е t ≥. Вместе с тем трансформация непрерывных спектров, распределений, состояний, характерных для объемных тел, в дискретные по мере уменьшения R отчасти даже помогает разработке новых принципов в цифровой технике.

Как видно из всего спектра задач и потенциальных возможностей нанотехнологии, применение ее достижений в сфере информационных технологий на интересующем нас направлении систем и средств записи/хранения информации может быть осуществлено в двух направлениях:

а) совершенствование традиционных методов записи/хранения информации вплоть до квантовых границ применимости основных законов, на которых эти системы основаны;

б) разработка принципиально новых фундаментальных принципов и технологических решений устройств обработки и накопления информации.

Рассмотрим основные достижения на первом из этих направлений, имеющие перспективы освоения их массовым серийным производством в ближайшее десятилетие.

Нанотехнологии в магнитной записи информации.

Конструктивной основой диска винчестера служит тонкая шайба из Al-Mg сплава, покрытая для придания твердости и гладкости 10-микронным слоем стекла или аморфного NiР (рис. 1). На него напыляют 20 нм слой Cr, который служит подложкой для собственно магнитного носителя. Обычно им является 20 нм слой магнитотвердого сплава СоРtCr, легированного бором. Для придания необходимых трибологических свойств наружной поверхности диска и защиты магнитного слоя от механических повреждений, поверх последнего напыляют 10 нм углеродный слой, а затем смазывающий (~ 1 нм).

Рис. 1. Поперечное сечение жесткого магнитного диска с индукционной записывающей и считывающей магнитной головкой на эффекте гигантского магнитосопротивления.

К магнитному слою предъявляют требования, обычные для магнитотвердых материалов, используемых в постоянных магнитах и системах магнитной записи. Он должен иметь как можно более прямоугольную петлю магнитного гистерезиса и обладать высокой остаточной магнитной индукцией и коэрцитивной силой. От этих характеристик зависит амплитуда и крутизна сигнала в считывающей головке, а, следовательно, и порог разрешения двух расположенных рядом битов. Из простой теории вытекает, что разрешение растет с уменьшением зазора между головкой и магнитным слоем и падением толщины последнего. В современных системах на жестких магнитных дисках оба эти размера приближаются к 10 нм.

Уменьшение всех поперечных размеров бита по мере уплотнения записи не может происходить до бесконечности, т.к. это приводит к резкому ухудшению отношения сигнал/шум. Шумовая компонента обусловлена в основном зеренной структурой магнитного слоя. Чем мельче зерно, тем ниже шум. Поэтому главное направление нанотехнологии в этом вопросе - выращивание пористой структуры, представленной столбчатыми нанокристалами. В современных жестких дисках на площади одного намагниченного бита уменьшается несколько сот зерен с поперечником около 10 нм, т.е. вклад одного зерна в намагниченность измеряется долями процента. Однако поддерживать это соотношение по мере уменьшения размеров бита можно лишь до определенных пределов, поскольку термическая стабильность намагниченности падает с уменьшением размеров зерна. При некотором критическом значении последнего (зависящего от температуры Т) ферромагнитные свойства исчезают и материал становится парамагнитным (эффект размерного суперпарамагнетизма). Для Т=300К этот критический размер составляет всего несколько нм. При достигнутых к настоящему времени поперечниках зерна ~ 10 нм и Т = 300К время жизни намагниченного состояния оценивается величиной около 10 лет. Таким образом, в рамках существующей концепции предел миниатюризации записи на магнитном диске практически уже достигнут.

Преодолеть этот барьер можно в искусственной магнитной среде, в которой отдельные зерна размером в несколько десятков нм будут разделены немагнитным веществом. Принцип «одно зерно – один домен» потребует очень упорядоченного расположения магнитных областей в немагнитной матрице. Их можно создавать методами нанолитографии или контролируемой самосборки. Уже имеются экспериментально осуществленные демонстрации эффективности такого подхода. Другой путь в том же направлении – создание нанопористых сред и получение на их основе новых магнитных материалов с уникальными свойствами путем заполнения пор магнитными наночастицами. Хорошим примером, который подсказывает природа, являются биологические молекулы ферритина. Они представляют собой полые сферы, заполненные кристаллическим оксидом железа 5Fe₂O₃9H₂O. В зависимости от количества атомов железа, заключенных в этой полости (оно может меняться от нескольких штук до нескольких тысяч), и температуры нанокристаллик может демонстрировать ферромагнитные, антиферромагнитные или парамагнитные свойства. Ожидается, что на таких или подобных магнитных наноструктурах удастся в ближайшей перспективе создать высокоплотные носители информации с плотностью записи ~ ТБ/см², что примерно на 2-3 порядка превышает таковую в существующих сейчас коммерческих системах записи/хранения информации. Матрицей для размещения таких ферромагнитных нанокристалликов могут служить другие наноструктурированные материалы: цеолиты, пористый кремний, нанопористые полимеры и др.

Увеличить отношение сигнал/шум в магнитных системах записи/хранения можно не только уменьшением размеров бита информации, но и улучшением чувствительности и избирательности считывающей магнитной головки. Известно, что в принципе любые материалы меняют свою проводимость под действием магнитного поля на ту или иную величину. Так, в металлах под действием силы Лоренца траектории движения носителей заряда – свободных электронов – искривляются, в результате чего удельное сопротивление ρ растет (исключение составляют ферромагнетики, в которых оно падает с ростом поля – эффект Кондо). Обычно эти изменения невелики: у хороших металлов типичное значение Δρ/ρ ≈ 10^-4 при В = 1 Тл.

Еще в начале 90-х годов прошлого века в оксидах типа La_1-_x(Са,Ba)_xMnO₃ со структурой перовскита был открыт эффект «гигантского» магнитосопротивления, т.е. изменения ρ во много раз под действием умеренных магнитных полей. Наиболее сильно он проявляется в эпитаксиальных пленках и многослойных структурах. Физические причины эффекта состоят в следующем. В отсутствии магнитного поля спины носителей в соседних слоях этих многослойных структур сориентированы антипараллельно как у антиферромагнетиков. При наложении магнитного поля достаточной величины все они ориентируются по полю, и рассеяние носителей на границах резко уменьшается. В некоторых манганитах (многокомпонентных соединениях на основе оксида Mn) эффект достигает восьми порядков величины, в связи с чем его стали называть «колоссальным». Потенциальные возможности таких материалов связывают с созданием высокочувствительных магнитных головок для сверхплотных носителей информации. Однако для широкого практического применения необходимо значительно снизить необходимые магнитные поля и повысить рабочую температуру, при которых эффект еще будет иметь достаточную величину.

Магнито-оптические системы.

Их принцип действия основан на магнито-оптическом эффекте Керра, заключающемся в изменении ориентации плоскости поляризации света при взаимодействии с намагниченной поверхностью. Средой, несущей информацию, является слой напыленного ферромагнетика TbFeCo толщиной около 25 нм. Поскольку он очень чувствителен к влаге, его с двух сторон защищают слоями Si₃N₄. За нижним из них располагают отражающий слой Al с тем, чтобы свет дважды прошел через пленку TbFeCo (рис. 2). Сигнал с фотодатчика появляется благодаря тому, что к опорному пучку, ответвленному оптическим расщепителем потока, добавляется отраженный луч с изменившейся плоскостью поляризации. Выходной сигнал через контроллер управляет подвижной оптической системой (для оптимизации взаимодействия светового потока с носителем).

Рис. 2. Поперечное сечение магнито-оптического диска и лазерная система считывания информации.

Ключевым элементом такой системы безусловно является магнитный слой, содержащий редкоземельные элементы. В описанном примере он содержит переходный металл (Fe) и редкоземельный элемент (Tb), которые образуют аморфную пленку с антиферромагнитным упорядочением магнитных моментов. В зависимости от их соотношения в сплаве и температуры в пределах одного домена может возникать дифференциальная намагниченность того или иного знака (ферримагнетизм). Разогрев некоторой области пленки сфокусированным лазерным пучком и наложение внешнего магнитного поля позволяет создать намагниченную область и «вморозить» бит информации в носитель. Разумеется, требования к материалу носителя здесь гораздо сложнее, чем при простом намагничивании записывающей магнитной головкой. Они могут обеспечиваться частичной заменой Tb другими редкоземельными элементами (Gd, Dy и др.), а Fe - другими переходными металлами (Co, Ni).

Пространственное разрешение в таком способе в принципе может значительно превышать дифракционный предел благодаря использованию только центральной части лазерного пучка и другим специальным мерам, например, использованию ближнего поля вблизи открытого конца световода малого диаметра. Первый ближнепольный оптический микроскоп (SNOM – Scanning Near Field Optical Microscope) был построен Д. Полем в 1982 г. в лабораториях IBM. В дальнейшем образовалось целое семейство сканирующих оптических микроскопов, использующих оптические волноводы и диафрагмы с поперечными размерами R много меньше длины волны падающего на них света λ. Это позволяет преодолеть дифракционный предел разрешения ~ 200 нм, присущий обычной оптической микроскопии, и достигать разрешения ~ 10 нм, а в некоторых случаях - и выше. Принцип действия SNOM заключается в использовании не распространяющихся за пределы диафрагмы мод электромагнитной волны, локализованных в области z ~ R. Т.е. свет почти не испускается такой диафрагмой, а лишь слегка «вываливается» из нее. Однако при взаимодействии с близко расположенным объектом часть энергии электромагнитного поля ближней зоны преобразовывается в обычные распространяющиеся моды, что может быть зарегистрировано чувствительным фотоприемником (рис. 3).

Зондом в SNOM обычно служит специальное оптическое волокно с коэффициентом преломления в центре большим, чем на периферии. Это приводит к полному внутреннему отражению и позволяет практически без потерь передавать электромагнитное излучение от источника света к образцу или фотоприемнику. Необходимое сужение на кончике зонда с характерными размерами в несколько десятков нм выполняют методами химического травления или вытяжки исходного оптоволокна.

Рис. 3. Основные моды ближнепольной зондовой оптической микроскопии (SNOM) на отражение. 1 – падающий пучок света, 2 – световод, 3 – отражающая стенка световода, 4 – область ближнего поля (R < λ), 5 – образец, 6 –– отраженный свет.

Как следует из названия этого вида микроскопии, образец необходимо приблизить и удерживать во время сканирования на расстоянии значительно меньше длины световой волны, т.е. порядка единиц - десятков нм. Как правило, это достигается методами AFM или родственными приемами, использующими возникновение нормальных или латеральных сил между иглой и исследуемой поверхностью, а также цепей обратной связи, с помощью которых отслеживается микрорельеф поверхности при сканировании.

Емкость серийно производимых в настоящее время магнито-оптических дисков диаметром 120 мм достигает 5 ГБ, что далеко от принципиальных пределов. С использованием SNOM технологии эту емкость можно увеличить почти на 2 порядка величины.

Системы с изменением фазового состояния носителя.

Руководящая идея этого подхода заключается в том, чтобы локально изменить фазовое состояние носителя, сохранять эту фазу как угодно долго, обнаруживать и считывать записанный бит сколько угодно раз без разрушения информации и при необходимости стирать ее, т.е. возвращать материал в исходное фазовое состояние.

Наиболее удобный и освоенный к настоящему времени фазовый переход «кристалл-аморф» уже используется в самых совершенных на сегодняшний день перезаписываемых (RW) компакт-дисках формата DVD. Вкратце принцип их действия заключается в следующем. Первоначально носитель (обычно многокомпонентный сплав с температурой плавления около 500⁰ С) находится в кристаллическом состоянии. С целью записи бита информации сфокусированный лазерный пучок коротким импульсом быстро нагревает небольшой участок носителя до температуры выше точки плавления T_m (рис. 4). После выключения света начинается интенсивный теплоотвод в окружающие холодные слои материала, и температура разогретого участка начинает падать с высокой скоростью (более 10⁹ К/с в реальных условиях).

Рис. 4. Принципиальная схема записи, считывания и стирания информации в среде, испытывающей фазовый переход. T_m, T_r и T_R – температура плавления, рекристаллизации и окружающей среды соответственно.

Высокая скорость охлаждения обусловлена малыми размерами перегретой области (R~100 нм), что в соответствии с соотношением τ ≈ R²/χ дает время охлаждения τ ≈ 10 нс (здесь χ – коэффициент температуропроводности материала матрицы). Это приводит к фиксации атомной структуры жидкости и затвердеванию расплава в аморфном состоянии. Такое состояние имеет отличные от кристаллического оптические, электрические и другие характеристики. Фактически происходит запоминание бита информации, не требующее в дальнейшем затрат энергии для своего сохранения. Считывание происходит с помощью лазерного пучка меньшей интенсивности, которая не разрушает аморфного состояния. Для стирания этого бита необходимо снова разогреть соответствующий участок, но теперь до температуры рекристаллизации и дождаться полного перехода аморфной фазы в кристаллическую.

Аморфизация при быстром охлаждении из расплава происходит в большом числе многокомпонентных сплавов по достижении критической скорости охлаждения V_с. Однако очень немногие сплавы обладают ярко выраженной разницей в оптических свойствах в кристаллическом и аморфном состоянии, не создают больших остаточных напряжений в матрице, рекристаллизуются с высокой скоростью при повышенной температуре, но сохраняют аморфное состояние при комнатной температуре длительное время. Такой набор свойств, в частности, имеет тройной сплав GeSbTe. И закалка из расплава, и рекристаллизация аморфизированного участка в процессе стирания бита занимает в нем около 10 нс при достигнутой плотности записи ~ 1 Б/мкм² (~ 100 МБ/см²).

Дальнейшее увеличение плотности записи (вплоть до 10 ГБ/см²) может быть достигнуто при использовании техники сканирующих зондовых микроскопов, использующих ближнее поле излучателя SNОM (рис. 3).

МОДЕРНИЗАЦИЯ ПЛАНАРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ

До настоящего времени основным материалом микро- и наноэлектроники является кремний. Основные процессы, используемые в производстве наноэлектроники на базе Si могут быть объединены в три класса: модифицирующие, удаляющие и добавляющие новый материал (рис. 5). Каждый из них в свою очередь разбивается на несколько групп. За редким исключением почти все эти технологии уже применяются в промышленных масштабах, но при переходе на новый масштабный уровень (10 – 100 нм) потребуют серьезного совершенствования.

Рис. 5. Три типа технологий, применяемых в производстве микроэлектроники.

Для того чтобы создать интегральную электрическую схему на поверхности чипа, необходимо сформировать на ней области с проводящими, диэлектрическими и полупроводниковыми свойствами. Вкратце суть планарной технологии состоит в том, что сначала чистую поверхность кремния окисляют в потоке кислорода и образуют на ней тонкий слой двуокиси кремния, обладающий хорошими диэлектрическими свойствами. Затем в этом слое тем или иным способом вскрывают окна (обычно методом химического травления) для легирования кремниевой подложки и нанесения на эти места других необходимых материалов. Наносимые слои с проводящими, диэлектрическими или полупроводниковыми свойствами имеют субмикронные толщины и, чередуясь, могут образовывать отдельные компоненты, связанные в заданную электрическую схему. Совокупность процессов формирования на поверхности кремния необходимых структур и составляют основу современных планарных технологий.

Другие составные части современной технологии производства БИС - разрезка слитка кремния на шайбы, их полировка, литография (перенос рисунка электрической схемы на поверхность кремневой пластины), различные виды термообработок, формирование тонкопленочных структур, сборка и контроль качества (пооперационный и финишный). На всех этих этапах, кроме литографии, не возникает особых затруднений при уменьшении масштабов технологической сетки (характерных размеров элементов), поэтому мы не будем останавливаться на них подробно. Остановимся подробнее на ключевой стадии производства БИС – лучевой литографии (рис. 6), которая предшествует собственно созданию на поверхности пластин кремния электрической цепи. Слово литография происходит от двух греческих корней, означающих «камень» и «пишу». Первоначально им обозначали способ печатания изображений, при котором рисунок сначала наносили на плоскую поверхность камня, а затем делали оттиск с него на другом материале. Во второй половине 20–го века им стали называть и процессы переноса рисунков электрических схем в производстве микроэлектроники. Ее смысл и главная цель заключаются в переносе чертежа электрической схемы устройства на кремниевую подложку. После этого различными физико–химическими средствами осуществляется поэтапное формирование необходимых структур и их соединений. Обычно для этого требуется несколько десятков операций, итогом которых является готовая интегральная электрическая схема или микроэлектромеханическая система (МЭМС). Одно из основных преимуществ такой технологии – одновременное создание на поверхности чипа структуры, состоящий из громадного числа элементов (в настоящее время до ~ 10⁹ элементов, из них – около 10⁸ транзисторов).

Рис. 6. Оптическая нанолитография: И – источник излучения, О – оптические элементы, М – маска–шаблон, Р – резист, П – подложка.

Современная промышленная микро-/нанолитография использует, главным образом, оптический способ переноса рисунка с шаблона на поверхность подложки, в связи с чем сам процесс часто называют фотолитографией. Существенной частью этого процесса является изготовление фотошаблона с необходимым рисунком и нанесение на поверхность пластины фоточувствительного слоя – резиста. С помощью ультрафиолетового, рентгеновского или другого источника резист экспонируется через фотошаблон. Последний при этом может лежать на поверхности резиста (контактная печать) или находиться на расстоянии от него. Во втором случае изображение фотошаблона проектируется на поверхность резиста с уменьшением в несколько раз с помощью оптической системы (проекционная печать). При этом размеры всех элементов на фотошаблоне могут быть в 4-5 раз больше, чем на изготавливаемой микросхеме, и требования к точности изготовления шаблона существенно снижаются. Далее на фоторезист действуют селективным химическим травителем. Проэкспонированные участки резиста стравливаются со скоростью, во много раз отличающейся от неэкспонированной (если с большей – то получается позитивное изображение шаблона, если с меньшей - то негативное). При длительном травлении рисунок начинает вытравливаться и на подложке (кремний, диоксид кремния, металл и др.). В этой связи становится понятным, почему пленка, наносимая на поверхность подложки, называется резистом.

Использование оптического – наиболее удобного и разработанного способа литографии – предопределяет физический предел миниатюризации при ее применении ~ 100 нм (в случае экспонирования резиста ультрафиолетовым источником). Для дальнейшего повышения разрешения необходимо применять или более жесткое излучение – рентгеновское, электронное, ионное – или переходить к альтернативным технологиям.

Общими задачами при разработке альтернативных методов нанолитографии являются:

Высокая производительность;
Высокая точность установки и совмещения масок-шаблонов для каждого слоя создаваемой многослойной структуры;
Источники излучения должны быть достаточно мощными для достижения высокой производительности, монохроматичными для обеспечения высокого разрешения, стабильными во времени; для обеспечения дальнейшего роста разрешения необходимо использовать источники все с меньшей и меньшей длиной волны;
Для каждого отдельного изображения (а их требуется до нескольких десятков для производства одной БИС) необходима своя маска; в областях пропускания она должна передавать излучение без искажений, а в областях поглощения излучения – не должна сильно нагреваться, деформироваться, искажать переносимый на подложку рисунок;
Резист должен быть высокочувствительным, чтобы позволить установить меньшую экспозицию при облучении, и контрастным для обеспечения высокого разрешения;
Поскольку производство микроэлектроники - одно из самых высокотехнологичных и капиталоемких, экономические вопросы стоят всегда очень остро и, по-существу, являются определяющими при выборе технологии (одна литографическая система стоит десятки млн. долларов, их суммарная стоимость на типовом предприятии составляет около половины его стоимости и имеет тенденцию к росту, а само предприятие стоит несколько млрд. долларов).

Итак, одно из узких мест на пути дальнейшей интеграции и миниатюризации БИС - литография все с бóльшим разрешением. Количественно разрешение по Рэлею определяется соотношением

δ=kλ/A,

где k ≈ 0,6; λ – длина волны используемого излучения; А – апертура оптики.

Из этого соотношения следует, что улучшать разрешение можно путем уменьшения λ и увеличения А. Возможности второго способа ограничены техническими особенностями оптических систем, пригодных для литографии. Реально удается достигать А ≈ 0,8. Таким образом, остается один путь – применение источников с меньшей величиной λ. В оптическом диапазоне для этого можно использовать g-линию ртутной лампы (λ = 436 нм), а в ближнем ультрафиолетовом – i–линию той же лампы (365 нм) и излучение эксимерных лазеров на Kr (λ = 248 нм); АrF (λ = 193 нм); F₂ (λ = 157 нм); Ar₂ (λ = 126 нм). Эксимерными называют газовые лазеры, работающие на электронных переходах молекул, кратковременно существующих в условиях электрического разряда. Следует учесть, что воздух сильно поглощает излучение с λ ≤ 200 нм, поэтому для работы в этом диапазоне необходим вакуум.

Из приведенных соображений и вытекает, что нанолитография с R< 100 нм требует перехода к более жесткому излучению. Рассмотрим имеющиеся предложения и наработки, направленные на дальнейшее улучшение разрешения в нанолитографических процессах :

следующая страница>