Будущие технологии памяти: FeRAM изнутри

Вступление

Оперативная память - один из базовых компонентов компьютера, жизненно необходимый ему с самого начала компьютерной эры. Память, как неотъемлемый атрибут архитектуры компьютерных вычислительных систем был провозглашен еще в то время, когда сам компьютер был лишь на бумаге. Реализация оперативной памяти, перенос ее из теоретических набросков в практическое решение - поистине была сложнейшей задачей, с которой столкнулись инженеры тех лет. Вначале, когда компьютеры были большими, а программы маленькими, оперативная память представляла собой ферромагнитные кольца, нанизанные на перекрещивающиеся прутья. Эта память при всей своей смехотворной емкости в несколько сотен байт (при размере в шкаф) обладала ценным свойством - она была энергонезависимой и сохраняла данные и после выключения компьютера. Прогресс шел. В погоне за объемами и быстродействием для производства оперативной памяти стали использовать лампы, а в дальнейшем и транзисторы с конденсаторами. На транзисторах развитие памяти остановилось надолго, двигаясь лишь по пути уменьшения транзисторных ячеек. На данный момент основным типом памяти является память типа DRAM, ячейка которой состоит из транзистора с конденсатором (1Т/1С).

Память приобрела высокую скорость, стала компактной и относительно дешевой, но утратила энергонезависимость. До не давнего времени это казалось не столь большой потерей - ведь компьютер при работе всегда включен в сеть, есть масса накопителей на магнитных и оптических носителях - не страшно, если после выключения данные пропадут из ОЗУ, при следующей загрузке их считают с носителей в память, которая требует постоянной перезарядки. Так было до появления устройств требующих энергонезависимой долговременной памяти, которая к тому же могла бы выполнять функции ОЗУ. Хотя не так, правильнее было бы сказать - до взрывообразного появления огромного количества разнообразных устройств... Посмотрите на 90-е годы прошлого века. Тысячи и тысячи этих устройств вошли в наш быт: цифровые фотоаппараты и видеокамеры, наладонные компьютеры, цифровые диктофоны и аудиоплееры, сотовые телефоны и смартофоны - всем им требуется память, способная работать тогда, когда они выключены (а это большая часть времени), способная хранить данные при отключенном питании как можно дольше и при этом настолько быстрая, чтобы исполнять обязанности ОЗУ, для снижения стоимости этих и без того дорогих товаров. Помимо этой Hi-Tech области подобная память пригодилась бы и для обычных персональных компьютеров, где в последнее время все больше требуются носители информации повышенной надежности без движущихся частей. Представьте себе PC без традиционного (и в последнее время совершенно бесполезного) 3,5 дюймового дисковода, с мгновенно загружающимся ядром операционной системы находящимся на подобном носителе (со вспомогательным жестким диском для больших объемов данных).

Спрос на энергонезависимую память растет. Все больше компаний инвестируют значительную долю средств в разработку памяти именно с этими свойствами, спеша ворваться на незанятый рынок. В результате развитие технологий энергонезависимой памяти пошло несколькими путями. Одной из первых была Flash память, которая благодаря раннему старту получила широкое распространение. Не секрет, что корпорация AMD значительную долю средств зарабатывает не столько благодаря процессорам семейства Athlon, сколько, благодаря большим объемам продаж именно чипов Flash памяти (NOR-Flash). Но у Flash памяти помимо достоинств есть и недостатки - медленная работа с данными и высокая стоимость, что заставило продолжать разработки в этой области. Одной из таких разработок стала магниторезистивная память MRAM, разработка которой была финансирована компанией Infineon Technologies AG. MRAM получилась удачнее Flash по всем параметрам, кроме цены, что заставило продолжать поиски. И вот тут, по-видимому, вспомнив изречения мудрых о том, что все новое - хорошо забытое старое и что история (а с ней и прогресс) развивается по спирали, чья-то светлая голова вспомнила про самую древнюю энергонезависимую память на ферромагнитных сердечниках. Вспомнила и подумала, а что если эту структуру совместить с уже имеющейся динамической памятью и уменьшить ячейки до микронных размеров. В результате появилась память называемая FeRAM - Ferroelectric Random Access non-volatile Memory (сегнетоэлектрическая энергонезависимая память с произвольным доступом к ячейкам), к рассмотрению которой мы и приступим.

Обращаю ваше внимание на тот факт, что в данной статье речь идет о наукоемких технологиях, использующих сложные физические явления, поэтому без определенных специфических научных терминов не обойтись, данные термины вы сможете найти в глоссарии, приведенном в конце статьи.

Химия FeRAM

Впервые работающий образец FeRAM был получен еще в 1992 году в лабораториях компании Symetrix. С тех пор эта область вызывала пристальное внимание со стороны научных кругов, а с 1996 года и кругов коммерческих. Достаточно сказать, что с 1992 по 2002 год по этой теме было выдано свыше 360 патентов, причем около 120 патентов было выдано только за последний год. Это свидетельствует о все возрастающем интересе к этой нише сегнетоэлектриков и, главное, к его практическому использованию.

Основным материалом для составляющих элементов, используемых в FeRAM, а это сегнетоэлектрические транзисторы (ferroelectric transistor) и конденсаторы (ferroelectric capacitor) обладающие к тому же переменными ферромагнитными свойствами, являются смешанные полиметаллические оксиды, спекаемые в сегнетоактивные керамики. Наиболее распространенным является семейство PZT (Perovskite lead zirconate titanate) с общей формулой Pb(Zr_xTi_1-x)O₃. Исследования свойств данных соединений на предмет их сегнетоэлектрической активности производились компанией Ramtron, которая запатентовала несколько разновидностей FeRAM базирующихся на этой группе соединений. Впоследствии лицензию на эти разработки купила компания Toshiba - один из крупнейших мировых производителей FeRAM на данный момент.

К основе PZT могут добавляться "легирующие" добавки из разных металлов и их оксидов, например: IrO₂, Pt, Au, Ag и так далее. Небольшие примеси этих добавок могут существенно влиять на свойства PZT как в положительную, так и в отрицательную область, исследования трудоемки - нужно сделать сотни опытов, чтобы вывести общие закономерности. В настоящее время ведутся активные поиски по подбору материалов обладающих наилучшими свойствами для создания конденсаторов и транзисторов на базе ферромагнитных сегнетоэлектриков.

Процесс записи/чтения для PZT можно изобразить следующим образом:

При действии положительного электрического заряда происходит положительная поляризация сегнетоэлектрика, результатом которой является переход в состояние соответствующее значению "0". При действии отрицательного электрического заряда происходит обратный переход, соответствующий значению "1". При этих переходах материал сегнетоэлектрика меняет свои физические свойства, меняет свои свойства и элемент, который состоит из этого соединения. Возникает петля гистерезиса, в результате состояния "0" и "1" по энергетическому значению далеко разнесены, что позволяет произвести их однозначную идентификацию. Вот как выглядит петля гистерезиса для ферромагнитного сегнетоэлектрического конденсатора (схематический вид):

где Q_r - остаточный заряд, Q_s - заряд насыщения, V_c - коэрцивное напряжение, С_FE - обозначение ферроактивного сегнетоэлектрического конденсатора на принципиальной схеме.

Помимо PZT ярко выраженным ферроактивным сегнетоэлектриком является SBT, с формулой SrBi₂Ta₂O₉. Основные работы с этим материалом велись компанией Symetrix, которая впоследствии продала лицензии компаниям Matsushita, NEC, Siemens, Motorola, Hynix и Micron. Компания Infineon Technologies AG независимым путем пришла к SBT и так же является держателем патентов на память FeRAM на базе этого сегнетоэлектрика.

Как видите процесс перехода в состояния "1" и "0" полностью аналогичны PZT. Разумеется, оба материала отличаются как по своим физико-химическим свойствам, так и по параметрам Qr, Qs и Vc, которые интересуют исследователей в первую очередь, но главное, что сама логика перехода "1" - "0" у обоих материалов одинакова, что позволяет при конструировании ячеек памяти применять одинаковый подход.

По сравнению с PZT, SBT лучше по таким параметрам как усталость материала (fatigue), и "отпечаток" заряда (imprint), то есть склонность сегнетоэлектрика к окончательному переходу в только одно состояние при длительном пребывании в нем.

Зато технологии производства PZT известны давно, хорошо отработаны и на данный момент являются наиболее дешевыми с самым минимальным размером ячейки. После решения Infineon Technologies AG и Toshiba о совместной разработке и продвижении FeRAM, инженеры компаний обрели свободу от лицензионных барьеров и имеют доступ к обеим группам этих перспективных материалов.