Ферроэлектрик – основа DRAM нового поколения и отличный high-k-материал 02.08.2009

Архитектура современных компьютеров предусматривает применение двух типов памяти – быстродействующей, но энергозависимой оперативной памяти и относительно медлительной, но энергонезависимой памяти (сюда входят как накопители на основе флэш-памяти, так и жёсткие диски). Инженеры уже долгое время пытаются создать устройства хранения данных, обладающие достоинствами обоих типов памяти. Среди кандидатов на эту роль рассматривают в том числе и флэш-память, необходимо лишь повысить её скоростные возможности. Однако у неё есть и сильные конкуренты, например, память на основе ферроэлектрических материалов – FeDRAM.

Исследователи из Йельского университета и сотрудники исследовательской компании Semiconductor Research Corp. (SRC) сообщают, что FeDRAM-память имеет ряд преимуществ, которая позволит ей в будущем заменить традиционную оперативную память. Во-первых, обычная DRAM обновляется каждые несколько миллисекунд, тогда как FeDRAM позволяет увеличить время одного цикла до одной минуты. Во-вторых, длительность хранения информации по сравнению с современной оперативной памятью увеличена сразу на три порядка. В-третьих, FeDRAM потребляет в двадцать рез меньше энергии, нежели традиционная DRAM-память.

Принцип работы памяти на ферроэлектрике заключается в упорядочивании ориентации диполей внешним электрическим полем – процесс записи информации. Впоследствии материал способен сохранять состояние направленной ориентации диполей – процесс хранения записанной информации.

Однако устройства хранения информации на основе ферроэлектриков имеют и ряд преимуществ перед флэш-памятью. Самым главным достоинством FeDRAM является возможность создания крайне миниатюрных интегральных CMOS-микросхем. Если в качестве теоретического предела для флэш-памяти инженеры рассматривают 25-нм техпроцесс, то в случае FeDRAM можно будет пользоваться технологиями изготовления 10-нм и даже более миниатюрных микросхем.

Несколько слов стоит сказать об архитектуре ячейки FeDRAM-памяти, разработанной учеными из Йельского университета. Их главным ноу-хау стало применение ферроэлектрика при формировании оксидного слоя затвора. Разработка энергонезависимой памяти на основе ферроэлектриков другими командами исследователей имела существенный недостаток – им приходилось размещать ферроэлектрик между двумя металлическими пластинками, что резко повышало размеры ячейки памяти. В результате по степени миниатюризации FRAM оказывалась куда хуже флэш-памяти; сейчас эту проблему удалось преодолеть.

Демонстрация первых работоспособных устройств хранения информации на основе ферроэлектриков будет проведена в следующем году, – микросхемы пока находятся на стадии разработки. И хотя проводились лишь предварительные тесты, они показали высокую надёжность новой памяти – FeDRAM выдерживает триллион циклов записи данных. Правда, эти цифры пока нельзя считать официально подтверждёнными – необходимо задокументировать результаты испытаний.

Для ферроэлектриков можно найти и ещё одно неожиданное применение. Характеристики этих материалов показывают, что они могли бы стать отличным диэлектриком в интегральных микросхемах, – такой параметр, как относительная диэлектрическая проницаемость (k, high-k-материалоы) в их случае значительно выше, нежели для материалов, применяемых сегодня. Для сравнения, для привычных диэлектриков относительная проницаемость равняется 20, тогда как в случае некоторых ферроэлектриков этот параметр равняется 100. Но до сих пор инженеры долгое время не хотели пользоваться «услугами» ферроэлектриков, так как не обладали достаточным опытом для работы с новым типом материалов. Сейчас им уделяется всё большее внимание, и не стоит удивляться, если ферроэлектрики в один прекрасный день вытеснят из интегральных микросхем диэлектрические материалы.

eetimes.com