Тонкости новой технологии памяти FeFET

Процесс поиска новых технологий вполне естественен. Существующая на данный момент DRAM имеет много достоинств, но не лишена и серьезных недостатков. Да и используемая сейчас энергонезависимая память также отнюдь не идеальна. Некоторые из новых типов памяти уже выпускаются и находят свое применение, часть – все еще находится на той или иной стадии исследований и разработок. Об одной из них и пойдет речь. FeFET – что это за технология, перспективы, принцип работы – об этом сегодняшний разговор.

История технологии

Еще в конце 90-х годов прошлого века начался выпуск чипов памяти, изготовленных по технологии FRAM, что расшифровывается как сегнетоэлектрическая память (Ferroelectric RAM, она же FeRAM). При многих достоинствах, у нее есть и недостатки, и один из основных – существенные сложности с переходом на тонкие техпроцессы. На данный момент для производства этих чипов используется 130 нм техпроцесс.

Возможно, есть смысл посвятить FRAM отдельный материал, но сегодня речь о другой разновидности технологии производства сегнетоэлектрической памяти – FeFET. В настоящее время эта технология все еще находится на стадии исследовательско-конструкторских работ, и о практической реализации говорить пока рано.

Суть технологии FeFET

Ячейки памяти FRAM, как и DRAM, выполнены по схеме «1T-1C», т. е. один транзистор и один конденсатор. Хотя принцип работы ячеек памяти у этих двух технологий разный, именно присутствие емкостного элемента и является основной причиной, препятствующей уменьшению размера ячейки. Возникают сложности с переходом на тонкие, порядка 1х нм, техпроцессы.

FeFET использует схему «1T», т. е. обходится одним транзистором без дополнительных элементов. Правда, транзистор этот не совсем простой. Вместо оксида кремния в качестве диэлетрика используется оксид гафния HfO_2. В частности, слой диэлектрика у затвора выполнен из этого материала.

Нельзя сказать, что это неведомый материал, не применявшийся ранее. Наоборот, он часто использовался для технологии производства полупроводниковых приборов HKMG (High-K/Metal Gate). Как раз оксид гафния и применяется в слое диэлектрика с высоким значением диэлектрической постоянной, превышающей таковую у кремния.

В данном случае важен не сам факт использования именно оксида гафния, а открытые несколько лет назад его сегнетоэлектрические свойства. Атомы кислорода в слое HfO₂ могут находиться в двух стабильных положениях, перемещаясь вверх и вниз по кристаллической решетке в зависимости от полярности внешнего электрического поля. Думаю, есть повод рассмотреть эти свойства HfO₂ более подробно в отдельном материале.

В технологии FeFET устраняется конденсатор, а при изготовлении транзистора в процессе формирования затвора наносится легированный кремнием слой из оксида гафния, имеющий сегнетоэлектрические свойства и заменяющий собой конденсатор. Заряд в этом слое может находится в двух состояниях, которые определяют значения логических «1» и «0».

Это иллюстрирует рисунок, взятый с сайта компании FMC. Показан FeFET транзистор n-типа. При направлении поляризации сегнетоэлектрического слоя вниз (левый рисунок), канал транзистора оказывается открытым, переводя транзистор в состояние «включен», через него протекает ток. При изменении направления поляризации на обратное, канал транзистора закрыт, и, соответственно, транзистор ток не проводит (средний рисунок). Пороговое напряжение определяет границу между бинарными состояниями транзистора (правый рисунок).

В теории все выглядит многообещающе, процесс производства не требует каких-либо специфических материалов или особенных технологических операций и оборудования. При использовании технологии производства CMOS компонентов достаточно добавить еще несколько этапов, использовать несколько масок (по опубликованным данным, нужны всего 2 дополнительные маски), чтобы получить транзисторы FeFET. Это снижает стоимость производства.

Еще одним положительным и перспективным свойством является использование низких значений напряжений, требуемых для переключения, перепрограммирования FeFET транзистора из одного состояния в другое. Достаточно напряжения порядка 3-5 В. Опять-таки, в теории, потребляемая мощность при операции записи одна из самых низких. Используется только электрическое поле, но никаких токов через слои не протекает, в отличие от FRAM, MRAM и проч.

Перспективы

В последнее время на рынке перспективных технологий производства чипов памяти стало довольно тесно. Разработчикам FeFET придется конкурировать с другими технологиями, часть из которых уже вполне можно пощупать «вживую», часть которых уже почти готова для производства или все еще на стадии R&D.

Среди основных компаний, серьезно занимающихся технологией FeFET, можно выделить:

• FMC (Ferroelectric Memory Co) - стартап, начавший заниматься этой темой и успешно продолжающий свою работу поныне.
• NaMLab. Немецкая компания, фокусирующаяся на разработке и внедрении новых материалов и ноу-хау при производстве электронных компонентов, в том числе и разработки в области технологии FeFET.
• GlobalFoundries. Третий по объему производства контрактный производитель полупроводниковых микросхем.

Есть и другие исследовательские лаборатории,,  занимающиеся этой темой. Также ряд компаний занимается исследованиями использования сегнетоэлектрических свойств оксида гафния, разрабатывая собственные технологии перспективных вариантов энергоэффективной и энергонезависмой памяти.

FeFET еще не дошла до стадии производства, хотя некоторые результаты уже демонстрировались. Так, был показан транзистор, выполненный по 22 нм процессу с использованием технологии изготовления FD-SOI. Указывалось, что ячейка памяти на таком транзисторе имеет размер 0.025 нм². Для операции записи требовался импульс длительностью 10 нс, используемое напряжение – 4.2 В. Малое время переключения, 10 нс, отмечается особо, т. к. для традиционной флэш-памяти требуется порядка 1-10 мс.

Рабочая температура указывается вплоть до 300 °C. Это может быть веским аргументом для использования технологии в тех областях, где температурный режим может варьироваться в широких пределах. Например, для автомобильной электроники.

На данный момент технология развивается по двум направлениям: как энергонезависимая альтернатива традиционной DRAM и в качестве памяти для устройств хранения данных, использующих сейчас 3D NAND.

Замена DRAM

Основная проблема DRAM – конденсатор, который мало того, что сложно уменьшить в размерах, так еще он склонен терять заряд, и его надо периодически, примерно каждые 64 мс, подзаряжать. Применительно к памяти DRAM этот процесс называется регенерацией.

Конденсатор располагается вертикально, что позволило уменьшить размеры ячейки, и представляет собой структуру металл-диэлектрик-металл (metal-insulator-metal - MIM), в качестве которых используется High-K диэлектрик, располагающийся между двумя слоями диоксида циркония (ZrO₂). Встречается еще такое название – ZAZ конденсатор.

Одной из компаний, активно занимающейся поиском замены традиционной DRAM, является IMEC (Interuniversity Microelectronics Centre) – исследовательский центр из Бельгии. Рассматривается идея замены диоксида циркония на оксид гафния, который, благодаря своим свойствам, весьма похож на конденсатор. Если это удастся, то на выходе получится DRAM-подобная память, лишенная одного из своих недостатков – энергозависимости. Мало того, отпадает необходимость в процессе регенерации ячеек памяти.

При этом, к сожалению, останутся другие недостатки такой памяти. В частности, проблема с переходом на более тонкие техпроцессы. Замена ZrO₂ на оксид гафния не затрагивает суть проблемы – наличие конденсатора, т. е. схема ячейки все равно остается «1T-1C».

Выходом может служить использование ячеек памяти с использованием сегнетоэлектрических материалов, выполненных по схеме с одним транзистором «1T». Это решит проблемы и с масштабируемостью, и с энергонезависимостью, и позволит существенно снизить потребление энергии.

На данный момент существуют определенные сложности. Так, DRAM имеет практически бесконечную выносливость ячеек, в то время как все NAND и прочие технологии имеют определенные границы, после которых ячейки исчерпывают свой ресурс. Есть такие ограничения и у сегнетоэлектрических материалов, и надежность и долговечность их использования еще только планируется определить и подтвердить реальными данными.

Замена 3D NAND

Другое направление – замена в накопителях традиционной флеш памяти, естественно, с использованием сегнетоэлектрических свойств. Встречается название технологии - 3D FeNAND. Это энергонезависимая, требующая меньшей мощности и низких напряжений память, построенная с использованием high-k материалов, работающая быстрее, и которая может служить дольше, чем NAND.

Если все получится, то появится еще один тип памяти, который может заняться свое место в списке альтернатив современной NAND. Проблема в том, что говорить об этом еще рано, ибо до коммерческой реализации пройдет 5-10 лет.

Заключение. FeFET – что это, реальная перспектива?

По крайней мере, в теории технология FeFET выглядит весьма заманчивой. Не требуется никаких экзотических материалов, процесс производства без особых проблем встраивается в текущую технологию изготовления полупроводниковых CMOS элементов, нет необходимости в специфическом оборудовании. Это обещает низкую стоимость производства.

Да и характеристики обещают быть впечатляющими. Низкие значения напряжений, требующихся для записи данных в ячейку, низкое энергопотребление, фактически, необходимое лишь при обращениях к ячейке памяти, высокое быстродействие, широкий диапазон температур.

Ну и, конечно же, способность сохранять информацию при отключении питания, как и у современной NAND памяти, и побитовый доступ, чем современная флэш-память похвастаться и не может. Добавим сюда еще и, теоретически, гораздо большее количество циклов перезаписи ячеек, надежность и долговечность.

Правда, последнее еще нужно доказать на практике, и для успешного конкурирования с DRAM требуется, чтобы ресурс ячеек стремился к очень большим значениям. Думается, если, для начала, принципы, заложенные в FeFET (сегнетоэлектрические свойства HfO₂), найдут применение в качестве альтернативного материала для конденсатора в современной DRAM, тем самым наделяя память независимостью от наличия или отсутствия напряжения, это уже будет большой шаг вперед. Если не революция, то существенное событие в технологии изготовления модулей памяти.

Возможно, что данная технология и не увидит практической реализации, т. к. на данный момент, на этапе исследований, все кажется многообещающим и внедряемым без особых проблем. А вот при переходе к практической реализации могут возникнуть технологические сложности, с которыми вполне реально столкнуться.

Как оно будет – покажет будущее. Даже сейчас мы уже видим реальные изменения в области чипов для хранения данных. 3D XPoint уже реальность. MRAM и ReRAM также выходят на рынок и находят применение. И пусть это пока что дорого (Intel Optane с памятью 3D XPoint), или используется редко и в специфических случаях, но ведь и SSD когда-то были очень недешевы. А сейчас ими уже никого не удивишь. По крайней мере, в качестве системного диска это – отличный вариант.

Может, спустя какое-то, надеюсь, небольшое, время станут обыденностью сравнения накопителей на разных типах памяти, когда в практическом тестировании сойдутся SSD на памяти 3D XPoint, ReRAM, FeFET или иных. Кто знает?..