Компания CEA-Leti на конференции по сверхбольшим интегральным схемам в Гонолулу представила сегнетоэлектрическую оперативную память (FeRAM) с 22-нанометровым техпроцессом и инновационной архитектурой 3D-конденсаторов

Исторически сложилось так, что при производстве ферромагнитных резистивных запоминающих устройств использовались плоские планарные конденсаторные структуры, которые ограничивали возможности создания маленьких и плотных ячеек памяти. В таких архитектурах размер ячейки определяется конденсатором, а не селекторным транзистором, поскольку ток, протекающий через конденсатор во время операций с памятью, по своей природе невелик. Чтобы преодолеть этот физический предел, компания CEA-Leti перешла на вертикальную архитектуру, при которой конденсатор располагается вертикально, а не горизонтально.

Благодаря вертикальной интеграции сегнетоэлектрических конденсаторов, изготовленных из тонких пленок оксида гафния-циркония (HZO), исследователи получили ячейки памяти, которые в 2,5 раза меньше стандартной SRAM при том же 22-нм узле, что соответствует плотности SRAM при гораздо более продвинутом 10-нм узле. Более того, в отличие от SRAM, FeRAM сохраняет данные без использования питания, сочетая энергонезависимость с плотностью, ранее достижимой только с помощью энергозависимой памяти.

«Эта технология на основе 3D-сегнетоэлектрических конденсаторов FeRAM обеспечивает высокоскоростную работу энергонезависимых массивов памяти с высокой плотностью и низким напряжением, — говорит Саймон Мартин, ведущий автор статьи “«Разработка 3D-сегнетоэлектрических конденсаторов HZO для уменьшения размера встроенных FeRAM до 22 нм». — Это прорывное решение отлично подойдет для высокопроизводительных встраиваемых систем, в том числе для периферийных вычислений с искусственным интеллектом, высокопроизводительных вычислений, аэрокосмических и оборонных систем, а также платформ Интернета вещей».

В традиционных устройствах FeRAM часто наблюдается явление, известное как «пробуждение», при котором электрические характеристики непредсказуемо меняются во время первых циклов работы, что снижает стабильность и надежность устройства. Трехмерные конденсаторы CEA-Leti с высоким соотношением сторон не подвержены этому явлению, что соответствует примерно 80-процентной доле орторомбической фазы в пленке HZO, что подтверждается прецессионной электронной дифракцией (ПЭД).

Хотя точный механизм до сих пор изучается, подавление эффекта пробуждения, скорее всего, связано с ограничением материалов в узких переходных отверстиях с большим соотношением сторон, что локально изменяет напряженное состояние сегнетоэлектрической тонкой пленки. Это с самого начала стабилизирует кристаллическую фазу, отвечающую за функцию памяти.

Компания продемонстрировала две базовые схемы интеграции (BEOL) для 3D сегнетоэлектрических конденсаторов (FeCaps) с длиной волны 22 нм, использующие передовые технологии формирования рисунка и нанесения. Функциональность массива с распределением битов по Гауссу была подтверждена до 0,047 мкм2 битовых ячеек FeRAM 1T-1C, работающих всего на 1,3 В, со стандартным логическим селектором и 3D FeCap с соотношением сторон примерно 4:1.

Исследователи также продемонстрировали очевидный путь к еще большей плотности: трехмерные FeCaps с соотношением сторон 17:1, диаметром 60 нм и шагом 120 нм, при котором площадь конденсатора составляет всего 0,0028 мкм². Чем больше соотношение сторон, тем больше эффективная площадь поверхности сегнетоэлектрического конденсатора в каждом битовом элементе, что увеличивает объем памяти без ущерба для плотности массива.

CEA-Leti планирует интегрировать продемонстрированные сегнетоэлектрические конденсаторы с высоким соотношением сторон в плотные массивы FeRAM на 22-нм платформе FDSOI, чтобы создать самую высокопроизводительную встроенную систему FeRAM на сегодняшний день.