Atnaujinant ateitį duomenų saugojimo srityje: kaip hafnio pagrindu pagaminta ferioelektrinė atminties technologija keičia greitį, efektyvumą ir mastelį šiuolaikinėje elektronikoje
- Įžanga: hafnio pagrindu pagamintos ferioelektrinės atminties kilimas
- Kaip veikia hafnio pagrindu pagaminta ferioelektrinė atmintis
- Pagrindiniai pranašumai prieš tradicines atminties technologijas
- Iššūkiai ir apribojimai dabartinėse įgyvendinimuose
- Naujausi proveržiai ir pramonės priėmimas
- Potencialios taikymo sritys kompiuterijoje ir IoT
- Ateities perspektyvos: mastelio didinimas, integracija ir rinkos poveikis
- Išvados: kelias į priekį hafnio pagrindu pagamintai ferioelektrinei atminčiai
- Šaltiniai ir nuorodos
Įžanga: hafnio pagrindu pagamintos ferioelektrinės atminties kilimas
Hafnio pagrindu pagaminta ferioelektrinė atminties technologija greitai tapo transformaciniu sprendimu nepastovios atminties srityje, siūlydama viliojančią alternatyvą tradicinėms atminties įrenginiams, tokiems kaip „Flash“ ir DRAM. Unikalios ferioelektrinės hafnio oksido (HfO2) savybės, ypač kai jis yra dopuotas tokiais elementais kaip cirkonis ar silicis, leidžia medžiagai išlaikyti polarizacijos būsenas be nuolatinės galios šaltinio, taip palengvinant mažos galios ir didelio greičio atminties operacijas. Šis proveržis sprendžia mastelio ribas ir ilgaamžiškumo problemas, su kuriomis susiduria tradiciniai ferioelektriniai medžiagos, tokios kaip švino cirkonato titanatas (PZT), kurie nesuderinami su standžiomis CMOS procesais ir sunkiai mažinami iki mažesnių nei 100 nm mazgų.
Hafnio pagrindu pagamintų ferioelektrinių medžiagų integracija į atminties architektūras — labiausiai pastebimai ferioelektrinius lauko efektus tranzistorius (FeFET) ir ferioelektrinius kondensatorius — buvo pagreitinta dėl jų suderinamumo su esamomis puslaidininkių gamybos technikomis. Šis suderinamumas leidžia sklandžiai priimti pažangiuose logikos ir atminties mikroschemose, atverdama kelią didelės tankio, energiją taupančių ir mastelio didinimo atminties sprendimams. Technologijos potencialas patraukė didelį dėmesį tiek akademinėms, tiek pramoninėms organizacijoms, su dideliais puslaidininkių gamintojais ir mokslinių tyrimų institucijomis investuojančiomis į jos plėtrą ir komercinimą imec.
Augant poreikiui greitesnės, patikimesnės ir energiją taupančios atminties, ypač dėl dirbtinio intelekto, priekinio apdorojimo ir daiktų interneto, hafnio pagrindu pagaminta ferioelektrinė atmintis stovi ateities atminties inovacijos fronte. Jos kilimas žymi esminį pokytį atminties technologijų kraštovaizdyje, žadant įveikti ilgalaikes kliūtis ir suteikti naujas galimybes elektroninių prietaisų dizainui IEEE.
Kaip veikia hafnio pagrindu pagaminta ferioelektrinė atmintis
Hafnio pagrindu pagaminta ferioelektrinė atmintis veikia pasinaudodama unikaliomis ferioelektrinėmis dopuoto hafnio oksido (HfO2) plonųjų plėvelių savybėmis. Skirtingai nuo tradicinių ferioelektrinių medžiagų, hafnio oksidas tampa ferioelektriniu, kai jis dopuotas tokiais elementais kaip cirkonis, silicis ar aliuminis, ir kai jis apdorojamas tam tikromis sąlygomis. Pagrindinis mechanizmas apima elektrinės polarizacijos grįžtamąjį perjungimą hafnio oksido sluoksnyje, kai taikomas išorinis elektrinis laukas. Ši polarizacijos būsena — „aukštyn” arba „žemyn” — atspindi binarinę informaciją (0 arba 1), leidžiančią nenutrūkstamą duomenų saugojimą.
Tipiškoje įrenginio struktūroje hafnio pagrindu pagamintas ferioelektrinis sluoksnis yra sumontuotas tarp dviejų elektrodų, sudarant metaliniai-ferioelektriniai-metaliniai (MFM) arba metaliniai-ferioelektriniai-izoliatoriai-puslaidininkiai (MFIS) struktūrą. Kai per elektrodus taikomas įtampos impulsas, hafnio oksido polarizacijos kryptis gali būti perjungta ir išlieka stabili net pašalinus lauką, užtikrinant duomenų išsaugojimą be galios. Saugojamų duomenų skaitymas pasiekiamas matuojant polarizacijos būseną, dažnai naudojant jutiklinį stiprintuvą, kuris aptinka krūvio poslinkį perjungimo metu.
Hafnio pagrindu pagamintos ferioelektrinės atminties mastelis yra didelis pranašumas, nes HfO2 jau yra suderinamas su standartiniais CMOS procesais, leidžiančiais integruoti į pažangius puslaidininkius. Šis suderinamumas, kartu su žema veikimo įtampa, greitu perjungimo greičiu ir dideliu ilgaamžiškumu, pozicionuoja hafnio pagrindu pagamintą ferioelektrinę atmintį kaip perspektyvų kandidatą būsimoms nenutrūkstamos atminties technologijoms imec, Texas Instruments.
Pagrindiniai pranašumai prieš tradicines atminties technologijas
Hafnio pagrindu pagaminta ferioelektrinė atminties technologija siūlo keletą pagrindinių pranašumų, palyginti su tradicinėmis atminties technologijomis, tokiomis kaip DRAM, NAND Flash ir ankstesnėmis ferioelektrinėmis RAM, pagrįstomis perovskito medžiagomis. Vienas iš svarbiausių privalumų yra jo suderinamumas su standartiniais CMOS procesais, kadangi hafnio oksidas (HfO2) jau plačiai naudojamas pažangioje puslaidininkių gamyboje. Tai leidžia lengviau integruoti į esamus gamybos procesus, mažinant gamybos sudėtingumą ir sąnaudas, palyginti su tradicinėmis ferioelektrinėmis medžiagomis, tokiomis kaip PZT, kurioms reikalingi nestandartiniai apdorojimo etapai (GlobalFoundries).
Kitas didelis pranašumas yra mastelio didinimas. Hafnio pagrindu pagamintos ferioelektrinės medžiagos išlaiko tvirtas ferioelektrines savybes net ir esant storio mažiau nei 10 nm, palaikydamos agresyvų įrenginio masteliavimą ir didelės tankio atminties masyvus. Priešingai, tradicinės ferioelektrinės medžiagos dažnai praranda savo savybes tokiuose mažuose matmenyse, ribodamos jų naudojimą pažangiuose mazguose (imec).
Be to, hafnio pagrindu pagamintos ferioelektrinės atmintys pasižymi greitu perjungimo greičiu, maža veikimo įtampa ir puikiu ilgaamžiškumu, todėl jos yra tinkamos tiek integruotai, tiek atskiroms nenutrūkstamos atminties taikymams. Jų nenutrūkstamas pobūdis užtikrina duomenų saugojimą be galios, o jų ilgaamžiškumas viršija „Flash“ atminties rodiklius, palaikant milijardus rašymo ciklų (Infineon Technologies AG). Šie derinami pranašumai pozicionuoja hafnio pagrindu pagamintą ferioelektrinę atmintį kaip perspektyvų kandidatą būsimoms atminties sprendimams plačiame taikymo sričių spektre.
Iššūkiai ir apribojimai dabartinėse įgyvendinimuose
Nors hafnio pagrindu pagaminta ferioelektrinė atminties technologija pasižymi viliojančiomis savybėmis, dabartiniuose įgyvendinimuose išlieka keletas iššūkių ir apribojimų. Vienas iš pagrindinių rūpesčių yra ferioelektrinių savybių mastelio didinimas, kai mažėja įrenginio matmenys. Kai hafnio oksido (HfO2) plėvelių storis artėja prie mažesnio nei 10 nm režimo, išlaikyti tvirtą ir patikimą ferioelektriškumą tampa vis sunkiau dėl depoliarizacijos efektų ir sąsajų susijusių reiškinių. Tai gali lemti sumažėjusią likutinę polarizaciją ir padidėjusią kintamumą įrenginio veikimo srityje, paveikdama derlių ir patikimumą IEEE.
Kitas svarbus iššūkis yra ilgaamžiškumo ir išsaugojimo charakteristikos hafnio pagrindu pagamintose ferioelektrinėse atmintyse. Nors šie įrenginiai gali pasiekti didelį ilgaamžiškumą, palyginti su tradicinėmis ferioelektrinės medžiagomis, tokie klausimai kaip prabudimo ir nuovargio efektai — kai ferioelektrinė reakcija keičiasi per ciklus — išlieka probleminiai. Šie efektai dažnai priskiriami defektų generavimui, krūvio spąstams ir migracijai prie sąsajų ir HfO2 sluoksnyje Nature Publishing Group.
Integracija su esama CMOS technologija taip pat kelia iššūkių. Procesų langai, reikalingi optimaliai ferioelektrinės fazės formavimui pasiekti, yra siauri, o šilumos biudžetai turi būti atidžiai valdomi, kad būtų išvengta tiek ferioelektrinio sluoksnio, tiek gretimų CMOS struktūrų degradacijos. Be to, dopanto pasiskirstymo ir grūdų dydžio kintamumas gali lemti neviendrogas įrenginio charakteristikas dideliuose wafers, dar labiau komplikuojant didelės apimties gamybą Taiwan Semiconductor Manufacturing Company.
Šių iššūkių sprendimas reikalauja tęstinių mokslinių tyrimų, susijusių su medžiagų inžinerija, procesų optimizavimu ir įrenginių architektūra, kad visiškai realizuotų hafnio pagrindu pagamintos ferioelektrinės atminties potencialą komercinėse taikymuose.
Naujausi proveržiai ir pramonės priėmimas
Paskutiniais metais buvo pastebėti svarbūs proveržiai hafnio pagrindu pagamintos ferioelektrinės atminties technologijoje, perkeliančioje ją iš akademinio smalsumo į stiprų konkurentą būsimoms nenutrūkstamos atminties sprendimams. Vienas iš pagrindinių etapų buvo atradimas, kad dopuoto hafnio oksido plonosios plėvelės turi tvirtą ferioelektriškumą, kuris yra suderinamas su standartiniais CMOS procesais ir masteliu iki mažesnių nei 10 nm mazgų. Šis suderinamumas leido greitą integraciją į esamus puslaidininkių gamybos procesus, mažinant kliūtis komercinimui.
Didieji pramonės žaidėjai pradėjo priimti ir plėtoti hafnio pagrindu pagamintą ferioelektrinę atsitiktinės prieigos atmintį (FeRAM) ir ferioelektrinius lauko efektus tranzistorius (FeFET). Pavyzdžiui, „GlobalFoundries“ ir Infineon Technologies AG paskelbė apie bandomąją produkciją integruotai FeRAM, skirta mikrovaldikliams ir IoT prietaisams, pasinaudojant mažo energijos suvartojimo ir didelio ilgaamžiškumo hafnio pagrindu pagamintų ferioelektrinių medžiagų privalumais. Be to, „Samsung Electronics“ ir Taivano puslaidininkių gamybos kompanija (TSMC) aktyviai tiria FeFET naudojimą dirbtinio intelekto spartintuvams ir neuromorfiniam skaičiavimui, nurodydami jų greitus perjungimo greičius ir potencialą didelės tankio integracijai.
Mokslinių tyrimų srityje medžiagų inžinerijos pažanga — tokios kaip tikslūs dopavimo strategijos ir sąsajos optimizavimas — padėjo pagerinti saugojimą, ilgaamžiškumą ir mastelio didinimą. Šios plėtros sprendė ankstesnes problemas, tokias kaip prabudimo ir nuovargio efektai, dėl ko hafnio pagrindu pagamintos ferioelektrinės atmintys vis labiau pasidarė įgyvendinamos komerciniam naudojimui. Dėl to technologija šiandien yra pozicijoje, leidžiančioje tapti pirmaujančiais naujais atminties sprendimais, o pramonės priėmimas tikimasi pagreitės ateinančiais metais.
Potencialios taikymo sritys kompiuterijoje ir IoT
Hafnio pagrindu pagaminta ferioelektrinė atminties technologija yra pasiruošusi revoliucionuoti plačią taikymų spektrą kompiuterijoje ir daiktų internete (IoT) dėl savo unikalaus mastelio didinimo, mažo energijos suvartojimo ir nenutrūkstamo pobūdžio derinio. Pažangioje kompiuterijoje šios atmintys — tokios kaip ferioelektriniai lauko efektai tranzistoriai (FeFET) ir ferioelektrinė atsitiktinės prieigos atmintis (FeRAM) — siūlo galimybę greitam, energiją taupančiam nenutrūkstamam saugojimui, todėl jos yra viliojančios kitai kartai integruotos atminties mikroprocesoriuose ir sistemos ant lustų (SoC) dizainuose. Jų suderinamumas su standartiniais CMOS procesais dar labiau palengvina integraciją į esamus puslaidininkių gamybos darbo procesus, mažinant išlaidas ir pagreitinant priėmimą šiuolaikiniuose kompiuterijos prietaisuose GlobalFoundries.
IoT srityje hafnio pagrindu pagamintos ferioelektrinės atmintys tenkina kritinius reikalavimus, tokius kaip ultra-mažos galios veikimas, didelis ilgaamžiškumas ir duomenų išsaugojimas, kurie yra būtini baterijomis maitinamuose priekinio apdorojimo įrenginiuose ir jutikliuose. Jų greiti rašymo/skaitimo greičiai ir gebėjimas išlaikyti duomenis be galios daro jas idealiomis realaus laiko duomenų registravimui, saugiai autentifikavimui ir įvykiais grįstam apdorojimui paskirstytose jutiklių tinkluose Infineon Technologies AG. Be to, natūralus radiacijos atsparumas ferioelektrinėms medžiagoms pagerina patikimumą sudėtingose aplinkose, plečiant jų naudojimą automobilių, aviacijos ir pramonės IoT taikymuose.
Augant pažangių, sujungtų įrenginių paklausai, tikimasi, kad hafnio pagrindu pagaminta ferioelektrinė atminties technologija turės svarbų vaidmenį leidžiant energiją taupančius, didelės galios ir saugius atminties sprendimus visoje kompiuterių ir IoT sferoje.
Ateities perspektyvos: mastelio didinimas, integracija ir rinkos poveikis
Ateities perspektyvos hafnio pagrindu pagamintos ferioelektrinės atminties technologijai yra formuojamos dėl jos puikaus mastelio didinimo, integracijos potencialo ir numatomo rinkos poveikio. Kadangi įrenginio matmenys toliau mažėja, hafnio oksido (HfO2) pagrindu pagamintos ferioelektrinės medžiagos teikia didelį pranašumą prieš tradicines perovskito ferioelektrines medžiagas dėl suderinamumo su esamais CMOS procesais ir tvirto ferioelektriškumo nanometriniuose storuose. Šis mastelio didinimas yra svarbus didelės tankio atminties masyvų rengimui ir palaikymui, atitinkant vykstantį miniatiūrizavimo tendenciją puslaidininkių pramonėje imec.
Integracija su logikos grandinėmis yra kitas pagrindinis veiksnys, skatinantis hafnio pagrindu pagamintų ferioelektrinių atminties priėmimą. Jų procesų suderinamumas leidžia monolitinę 3D integraciją ir atminties bei logikos bendrą gamybą toje pačioje mikroschemoje, mažinant delsą ir energijos suvartojimą. Tai atveria kelius pažangioms kompiuterių architektūroms, tokioms kaip atminties kompiuterija ir neuromorfinių sistemų, kurioms reikia greitų, nenutrūkstamų ir energiją taupančių atminties elementų Toshiba Corporation.
Rinkos požiūriu unikalus mastelio didinimo, ilgaamžiškumo ir žemos įtampos veikimo derinys pozicionuoja hafnio pagrindu pagamintas ferioelektrines atmintis kaip stiprų konkurentą, galintį pakeisti ar papildyti esamus nenutrūkstamos atminties technologijas, tokias kaip „Flash“ ir DRAM, taikant programas, prasidedančias nuo mobiliųjų įrenginių iki duomenų centrų. Pramonės analitikų prognozės nurodo spartų ferioelektrinės atminties rinkos augimą, skatinamą greitesnio, patikimesnio ir energiją taupančio atminties sprendimų poreikio Gartner. Tęstiniai moksliniai tyrimai medžiagų inžinerijos, įrenginių patikimumo ir didelės apimties gamybos srityje bus esminiai, norint realizuoti šios technologijos visišką komercinį potencialą.
Išvados: kelias į priekį hafnio pagrindu pagamintai ferioelektrinei atminčiai
Hafnio pagrindu pagaminta ferioelektrinė atminties technologija stovi svarbiame taške, pasiruošusi pertvarkyti nenutrūkstamos atminties sprendimų kraštovaizdį. Unikalus mastelio didinimo, suderinamumo su esamais CMOS procesais ir tvirto ferioelektriškumo derinys pastūmėjo hafnio oksido (HfO2) pagrindu pagamintas įrenginius į priekinę ateities atminties tyrimų sritį. Kadangi technologija brandėja, išlieka pagrindiniai iššūkiai, įskaitant tolesnį ilgaamžiškumo, saugojimo ir vienodumo kaštų didinimą didelės apimties masyvuose. Šių problemų sprendimas bus kritiškai svarbus plačiai komercinei priėmimui ir integracijai į šiuolaikines kompiuterių architektūras.
Žvelgiant į ateitį, nuolatiniai moksliniai tyrimai yra orientuoti į medžiagų inžinerijos, įrenginių architektūros ir gamybos procesų optimizavimą, siekiant atskleisti visą hafnio pagrindu pagamintos ferioelektrinės atminties potencialą. Tokie novatoriniai sprendimai kaip dopanto inžinerija, sąsajos kontrolė ir trijų dimensijų įrenginių struktūros aktyviai tyrinėjamos, siekiant pagerinti našumą ir patikimumą. Be to, inherentinė HfO2 pagrindu pagamintų ferioelektrinių medžiagų suderinamumas su pažangiais logikos mazgais atveria galimybes integruotoms atminties taikymo, neuromorfiniu apdorojimu ir energiją taupančiomis saugojimo sprendimais IEEE.
Kelias į priekį tikriausiai bus pažymėtas didesniu bendradarbiavimu tarp akademikos, pramonės ir standartizavimo institucijų, kad būtų išspręsti techniniai barjerai ir pagreitátų komercinimas. Kuomet šios pastangos suartės, hafnio pagrindu pagaminta ferioelektrinė atmintis yra gerai pozicionuota tapti pagrindine technologija, leidžiančia greitesnes, tankesnes ir energiją taupančias atminties sistemas ateities elektroniniuose prietaisuose imec. Ateinančios kelerios metai bus lemiamos, nustatant, kiek šią viliojančią technologiją gali įgyvendinti ir perkurti atminties hierarchiją.
Šaltiniai ir nuorodos
