Привыкшие подчиняться закону Мура и удваивать плотность упаковки информации каждые два года разработчики компьютерных чипов внезапно споткнулись о 32-нм барьер. Ниже  – о том, как не просто преодолевать столь ничтожно малые барьеры

Даже в нашем 21-веке учёные еще и близко не подошли к той плотности упаковки информации, которую Природа сотворила много-много миллионов лет тому назад (и – что самое удивительное – никто до сих пор не знает, как она умудрилась это сделать). Речь, конечно, идёт о биомолекулах, среди которых главной, безусловно, можно признать молекулу дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Хотя и просто рибонуклеиновая (РНК) молекула (митохондриальная) может многое «рассказать» обитателям Земли об их происхождении (она помнит, но мы еще не умеем говорить на ее языке!). Но здесь речь пойдет не об РНК- памяти, а об электронной.

Энергонезависимые, электрически перепрограммируемые постоянные запоминающие устройства, ЭППЗУ (в просторечии – просто «флэшки»¹), по объёму продаж² давно обошли все прочие изделия полупроводниковой микроэлектроники. Попросту говоря, именно флэшки (а вовсе не многоядерные процессоры Intel или AMD) определяют огромную доходность компьютерного бизнеса. В частности потому, что каждый потребитель, как минимум, раз в два года обязательно поменяет модель мобильного телефона, или MP3, или просто купит новую флэшку со все большим объемом памяти.

И сейчас уже никого не удивляет, что 2, 4, 6, 8, а то и 16 Гб память упрятана в корпусе, раз в пять меньшего спичечного коробка, и продаётся по достаточно доступной цене. Более того, компьютерные компании всерьез ведут разговоры о создании флэш-памяти емкостью в терабиты.

Рис.1. Схема элемента памяти с плавающим затвором из квантовых точек, предложенная в 1995 году [2]. Рисунок изображает этот элемент в улучшенном сибирском варианте. Применение диэлектрика с высокой диэлектрической постоянной (high-k) в качестве контрольного запатентовано Гриценко В.А. (ИФП СО РАН) [12]

Главным элементом любой флэшки как был много лет тому назад, так и остаётся до сих пор хоть и уменьшенный по самое «не-могу», но все еще обычный МДП-транзистор, у которого в подзатворном диэлектрике (Д) на туннельном (т.е. невероятно маленьком) расстоянии от полупроводника (П) сделано нечто, позволяющее хранить электроны лет 10 при температуре до +60⁰С – так называемый «плавающий затвор», который изобрёл великий Саймон Зи (S.M.Sze) со своим коллегой Канем (D.Kahng) ещё в 1967 году [1]. Сейчас уже стало понятно, что терабитную память на старых принципах не построить. А главная – прорывная (или, как теперь модно говорить, инновационная) идея состоит в том, чтобы этот «хранящий» информацию слой был не сплошным, а кусочно-гладким. Просто потому, что любой прокол в диэлектрике, обрамляющем «запоминающую» сплошную прослойку и сверху (этот называется контрольным), и снизу (этот называется туннельным), приводит к утечке «битового» заряда (а главный и тщательно скрываемый секрет всей полупроводниковой МДП-технологии как раз в том и состоит, что диэлектриков без проколов не бывает принципиально, потому что ошибаться свойственно не только человеку, но и природе).

О том, что плавающий затвор можно с успехом делать из нанокусочков полупроводника или металла, замурованных в широкозонный диэлектрик, мировая научная общественность узнала ещё в 1995 году [2] (см. рис. 1) на очередной ежегодной конференции «International Electron Device Meeting». Но в серийных изделиях такого нет и до сих пор. Дело в том, что этих «нанокомочков» должно быть ~ 10¹² на каждый кв. см затвора малюсенького транзистора, и лучше всего, чтобы все они были одинакового размера и на одинаковом расстоянии от канала, а в идеале – и друг от друга. Плотнейшая упаковка на плоскости – гексагональная, это означает, что вокруг шарика на плоскости размещается без пропусков ровно 6 других шариков такого же диаметра. Именно такую – плотнейшую и упорядоченную – упаковку кремниевых квантовых точек в SiO₂ слое сумели недавно организовать японские исследователи (Yu.Nakama, Sh.Nagamachi, Ju.Ohta, M.Nunoshita) из университета города Нара [3].

И помогли им в этом протеины, а точнее, сделанные из них сферические супрамолекулы. Работа выполнялась при поддержке компании Matsushita (более известной как «Панасоник»), сотрудники которой, собственно, и придумали приспособить биомолекулы к потребностям полупроводниковой нанотехнологии, назвав соответствующий процесс «био-нано-процессинг» (БНП) [4–5].

Ферритин (а точнее, апоферритин, выделенный из конской селезёнки или печени) – это протеиновый шарик диаметром ~12 нм, полый внутри (диаметр полости ~7 нм) (см. рис. 2).

Рис. 2. Структура ферритина. Слева – верхняя половина протеинового шарика отрезана и обнажена нанополость, в центре – срез по экватору. Справа – ленточная диаграмма супрамолекулы ферритина, показывающая наличие регулируемых пор двух типов [6].

Эти шарики (а они могут быть и других размеров, если выделены из других организмов: у бактерии Listeria, например, эти диаметры составляют 9,4 и 4,5 нм соответственно) играют исключительно важную роль в жизнедеятельности почти всех живых существ на Земле, начиная от одноклеточных и заканчивая человеком. Именно они регулируют во всех клетках все обменные процессы, связанные с железом и кислородом, так как умеют накапливать железо и кислород в своей полости в виде нанокомочков гидратированного полуторного оксида (5Fe₂O₃х9H₂O). Если у любого млекопитающего повредить в ДНК ген, отвечающий за синтез ферритина, то стопроцентная смертность гарантирована. Даже бактерии чувствуют себя совсем неуютно без ферритина, так как без него их начинает убивать простой атмосферный кислород [6–7].

Рис.3. Схема получения плавающего затвора из железных квантовых точек для элемента флэш-памяти методом «японского» био-нано-процессинга [11]

Будучи изделиями Природы, все молекулы ферритина абсолютно одинаковы, а внутрь нанополости (у неё, кстати, для этого имеются специальные поры, см. рис. 2) можно поместить не только железо, но и Co, In , Ni и даже ZnSe [8]. И, конечно, все эти «изделия» будут чётко прокалиброваны размером полости. А дальше уже легче. Потому что биохимики давно научились выкладывать ферритиновые шарики в плоско-гексагональную плотную упаковку сначала на границе раздела «вода-воздух» [9], а недавно сумели перенести её и на поверхность кремния [10]. А это уже гораздо интереснее, так как открывает возможность изготовления очень плотных и упорядоченных, однородных ансамблей квантовых точек (КТ). Процедура изготовления плавающего затвора из железных КТ в SiO₂ по БНП-технологии приведена на рис. 3 [11]. И железные квантовые точки, как и планировалось, хранили впрыснутые в них электроны, но всё-таки не так, как хотелось бы. Потому что лучшие «камеры» для «битовых» электронов – это нанокристаллики Si (или Ge) в SiO₂. А протолкнуть эти элементы внутрь протеиновых наношариков пока никому не удалось.

Рис.4. Электронно-микроскопическое изображение кремниевых нанокристаллов в матрице SiO2, полученных методом ионной имплантации (E_ион = 0.6 кэВ) через плёнку аморфного кремния толщиной 20 Å, на которую предварительно был высажен плотноупакованный слой ферритина (с железом внутри). Лазерный отжиг производился облучением имплантированной плёнки излучением твердотельного лазера на иттрий-алюминиевом гранате с неодимом при плотности мощности в пятне (2х2 мм²) 34,4 Дж/см² в течение 5 сек. Температура при этом составила 1050±50⁰С. На врезке – электронно-микроскопический снимок высокого разрешения, на котором видны атомные плоскости кремниевого нанокристалла [3].

И тогда находчивые японские исследователи [3] стали использовать плотно-упакованный ферритин (с железом внутри) в качестве шаблона для синтеза кремниевых КТ в диоксиде кремния путём низкоэнергетичной (Е_ион< 1 кэВ) ионной имплантации Si в SiO₂, а в качестве ионного «резиста» применили всё тот же кремний, но аморфный, толщиной 2 нм. И всё у них получилось (см. рис. 4). Так что очень может быть, что лет через 5–10 лет каждый школьник сможет прикупить 128-Гб флэшку по цене пяти автобусных билетов.

¹ Флэш (flash), в переводе с английского, это – вспышка, молния, миг. Память называется так потому, что стирание информации в ней происходит не «по-битово», а рядами и колоннами, точнее, страницами, т. е. – мигом. А вот запись, естественно, идёт «по-битово».

² Но не по темпам роста этих объёмов, потому что здесь пальму первенства уже лет 5 держат солнечные батареи и через 5–10 лет именно они станут «рулить» в полупроводниковом бизнесе.

Автор – С. Чикичев, доцент Новосибирского университета, основная деятельность – в новосибирском ИФП СО РАН

• 1. D.Kahng, S.M.Sze. A floating gate and its application in memory devices. Bell System Techn. Journal, v. 46, pp.1288–1295 (1967)
• 2. S.Tiwari, F.Rana, K.Chan, H.Hanafi, W. Chan, D.Buchanan. Volatile and nonvolatile memories in silicon with nanocrystal storage. IEDM Tech. Digest, pp.521–525 (1995)
• 3. Yuji Nakama, Shinji Nagamachi, Jun Ohta, Masahiro Nunoshita. Position – controlled Si nanocrystals in SiO2 thin film using a novel amorphous Si ultra-thin “nanomask” due to a bio-nanoprocess for low-energy ion implantation. APEX, (Applied Physics Express), v.1, No 3, paper 034001 (2008)
• 4. Ichiro Yamashita. Fabrication of a two-dimensional array of nanoparticles using ferritin molecule. Thin Solid Films, v.393, pp.12–18 (2001)
• 5. T.Hikono, T.Matsumura, A.Miura, Y.Uraoka, T.Fuyuki, M.Takeguchi,S.Yoshii, I.Yamashita. Electron confinement in a metal nanodot monolayers embedded in silicon dioxide produced using ferritin protein. Appl.Phys.Letters, v. 88, paper 023108 (2006)
• 6. E.C.Theil, M.Matzapetakis, X.Liu. Ferritins: iron/oxygen biominerals in protein nanocages. J.Biol.Inorg.Chem., v. 11, pp. 803–810 (2006)
• 7. X.Liu, E.C.Theil. Ferritins: dynamical management of biological iron and oxygen chemistry. Acc.Chem.Res., v.38, pp.167–175 (2005)
• 8. K.Iwahori, K.Yoshizawa, M.Muraoka, I.Yamashita. Fabrication of ZnSe nanoparticles in the apoferritin cavity by designing a slow chemical reaction system. Inorg.Chem.,v.44, pp.6393–6400 (2005)
• 9. H.Yoshimura, T.Scheybani, W.Baumeister, K.Nagayama. Two-dimensional protein array growth in thin layers of protein solution on aqueous subphase. Langmuir, v. 10, pp.3290–3295 (1994)
• 10. M.Okuda, Y.Kobayashi, K.Suzuki, K.Sonoda, T.Kondoh, A.Wagawa, A.Kondo, H.Yoshimura. Self-organized inorganic nanoparticle arrays on protein lattices. NanoLetters, v.5, No5, pp.991–993 (2005)
• 11. K.Yamada, S.Yoshii, S.Kumagai, A.Miura, Y.Uraoka, T.Fuyuki, I.Yamashita. Effects of dot density and dot size on charge injection characteristics in nanodot array produced by protein supramolecules. Jap.J.Appl.Phys., v.46, No11, pp.7549–7553 (2007)
• 12. «Флэш по-сибирски, ПерсТ, т.12, вып.14, с.1–3 (2005)»