Кремниевые пластины с чипами памяти
Коллектив лаборатории перспективных концепций хранения данных Института квантовых технологий МФТИ совместно с АО «НИИМЭ» успешно завершил ключевой этап разработки и изготовления макетов энергонезависимой памяти на основе сегнетоэлектрических полевых транзисторов (FeFET) с архитектурой 1Т-1С. Работа была выполнена в рамках проекта молодежной лаборатории МФТИ в области микроэлектроники. Руководитель лаборатории Анастасия Чуприк рассказывает о том, что они сделали.
Наш коллектив сосредоточился на памяти FeFET, которая обеспечивает недеструктивное считывание информации и высокую масштабируемость — характеристики, недостижимые для классической FRAM-памяти. В качестве функционального слоя мы использовали оксид гафния-циркония (Hf0,5Zr0,5O2).
Фундаментальная проблема традиционных 1Т FeFET-ячеек вызвана нестабильностью интерфейса кремний-Hf0,5Zr0,5O2 (инжекция заряда, высокая плотность дефектов, нестабильная поляризация). Поэтому мы решили использовать альтернативную топологию 1Т-1С. Как часто бывает, «изобрели» ее, а потом обнаружили, что такая концепция существует, хотя и мало известна. В этой архитектуре информация хранится в сегнетоэлектрическом конденсаторе, последовательно соединенном с затвором транзистора, что позволяет изолировать проблемный интерфейс и сохранить преимущества технологии.
Два состояния ячейки памяти 1Т-1С, соответствующие битам 1 и 0
Сначала мы сделали тестовые структуры. Изготовили их на тестовом кристалле с транзисторами АО «Микрон» для проверки дизайна и всесторонне изучили.
Затем провели проектирование для производства. Разработали схемотехнические решения и топологии, адаптированные для заводского техпроцесса.
После этого можно было делать макет. Технологический пуск и производство полнофункциональных макетов происходили на производственной линии АО «НИИИС им. Ю. Е. Седакова» (Нижний Новгород). Было изготовлено 60 макетов с различными вариантами компонентов.
Тестирование подтвердило работоспособность макетов. Образцы с оптимальным соотношением параметров продемонстрировали четкий эффект памяти с переходной и выходной характеристиками, управляемыми сегнетоэлектрической поляризацией.
Не обошлось без проблем. И главной стало отсутствие эффекта памяти в первоначальных тестовых структурах. Мы провели анализ и выявили две причины: неверное соотношение емкостей сегнетоэлектрического конденсатора и затворного диэлектрика, а также компенсацию потенциала на плавающем затворе поверхностными зарядами.
Решение заключалось в точном расчете требуемых емкостей, оптимизации топологии с изолированным плавающим затвором и подборе геометрических параметров элементов. Это позволило получить стабильные и воспроизводимые характеристики.
Работу над памятью FeFET начали в 2022 году, на третьем году реализации проектов по FRAM и гибкой сегнетоэлектрической памяти. Накопленный опыт оказался бесценным: он позволил нам уложиться в жёсткие сроки, отведённые грантодателем — Министерством науки и высшего образования РФ, — и создать первые заводские макеты FeFET всего за два года и два месяца.
Успешное создание макетов открывает путь к дальнейшим исследованиям в области масштабирования и повышения надежности архитектуры.
Эта технология — перспективная платформа для создания энергонезависимой памяти следующего поколения, которая сочетает низкое энергопотребление, высокую скорость и ресурс циклов перезаписи сегнетоэлектрической памяти с идеальной масштабируемостью флеш-памяти, что критически важно для создания высокоплотных энергоэффективных носителей информации.
Справочно: Архитектура 1T-1C FeFET также известна как MFMIS FeFET (metal-ferroelectric-metal-insulator-semiconductor) и MFM FET (metal-ferroelectric-metal).
Индустриальный партнер лаборатории: АО «НИИМЭ» (Зеленоград) — ведущее российское предприятие в области разработки и производства интегральных схем и полупроводниковых приборов.
