Диссертация (1091051), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Появляющиеся токиутечки повышают потенциал области хранения в момент передачи логической«1» по линии битов. Операции работы с ячейкой памяти TTRAM включаютчетыре режима работы: запись, чтение, хранение и регенерация.В ведущих мировых институтах и компаниях, наряду с исследованиямиэнергозависимойпамяти,ведутсяразработкисовершенноновыхтиповэнергонезависимой памяти [39].1.2.5 Перспективные разработки в области энергонезависимой памятиСегнетоэлектрическая память с произвольным доступом (FeRAM)Сегнетоэлектрическая память по своему устройству схожа с DRAM, а дляобеспечения энергонезависимости используют слой сегнетоэлектрика вместодиэлектрического слоя.Об исследовательских проектах в области FeRAM заявили Samsung,Matsushita, Oki, Toshiba, Infineon, Hynix, Symetrix, Кембриджский университет,Торонтский университет и Interuniversity Microelectronics Centre.27Ячейка типа 1T-1C, разработанная специально для FeRAM, схожа по своемуустройству с типами ячеек, используемыми в DRAM-памяти, и включает в своюструктуру элемент хранения и один транзистор выбора (Рисунок 1.16).
В качествеэлемента хранения в FeRAM-ячейках применяется структура, включающая в себясегнетоэлектрик. Обычно его роль играют такие соединения как PbZr1-xTixO3 иSrBi2Ta2O3.Рисунок 1.16 – Структура FeRAM-ячейкиЗапись происходит путем проникновения поля через сегнетоэлектрическийслой при заряжании электродов, ориентируя атомы вверх или вниз (в зависимостиот полярности заряда), за счет чего обеспечивается хранение «1» или «0» [40].Магниторезистивная память (MRAM)Магниторезистивная память – запоминающее устройство с произвольнымдоступом, которое хранит информацию при помощи магнитных моментов, а неэлектрических зарядов.Магнитные элементы сформированы из двух ферромагнитных слоёв,разделенных тонким слоем магнитного туннельного перехода (Magnetic tunneljunction - MTJ).
Один из слоёв представляет собой постоянный магнит,намагниченный в определённом направлении, а намагниченность другого слояизменяется под действием внешнего поля. Устройство памяти организовано по28принципу сетки, состоящей из отдельных «ячеек», содержащих элемент памяти итранзистор (Рисунок 1.17).Рисунок 1.17 – Структура ячейки MRAM памятиСчитывание информации осуществляется измерением электрическогосопротивления ячейки.
Вследствие эффекта туннельного магнетосопротивления,электрическое сопротивление ячейки изменяется в зависимости от взаимнойориентации намагниченностей в слоях.Существуют и другие технологии MRAM: – технология переноса спиновогомомента (Spin Torque Transfer), технология термического переключения, (ThermalAssisted Switching) и изменение магнитной ориентации за счет тока проходящегочерез вертикальные столбцы (Vertical Transport MRAM) [41].Память на основе фазового перехода (PRAM)Принцип работы памяти на основе фазового перехода основывается науникальном поведении халькогенида, который при нагреве может изменять своесостояние с кристаллического на аморфное (Рисунок 1.18).
В последних версияхсмогли добавить ещё два дополнительных состояния, удвоив информационнуюемкость чипов.29Рисунок 1.18 – Кросс-секция двух ячеек памяти PRAM: с высоким и низкимсопротивлениямиКристаллическоеиаморфноесостоянияхалькогенидакардинальноразличаются электрическим сопротивлением, что лежит в основе храненияинформации.
Аморфное состояние, обладающее высоким сопротивлением,используется для представления двоичного «0», a кристаллическое состояние,обладающее низким уровнем сопротивления, представляет «1» [42].Несмотря на фундаментальные различия в физических принципах,внедряемые типы энергонезависимой памяти характеризуются параметрамисвойственными всем видам памяти (таблица 1.6).Таблица 1.6 – Перспективные типы энергонезависимой памяти [40-42]ПараметрыДиапазон температур, °СТехнологический процесс, нмВремя чтения, нсВремя записи, нсСрок хранения информации, годаЧисло циклов перезаписиНапряжение при чтении/записи, ВРазмер ячейкиFRAM-40…..+859020101010151,5/1,515F2MRAM-40…..+125321012010151/16F2PRAM0…..+70201050201091/14F2301.2.6 3D NAND flash-памятьВ современном производстве полупроводниковой памяти нашло отражениеи 3D масштабирование (Рисунок 1.19).
Современным устройствам с каждымгодом требуется все большие объемы памяти, при этом требования к размерам ихарактеристикам ИС возрастает. Это привело к появлению 3D NAND памяти,способной хранить огромные объемы информации. Успешной интеграции 3Dтехнологий удалось достичь за счет критических размеров масштабирования ивнедрения новых производственных циклов. Успешному построению 3D NANDпамяти поспособствовало и создание технологии GAA (Gate-all-around). GAAполевые транзисторы похожи по своей концепции на FinFET, за исключениемтого, что материал затвора окружает канальную область со всех сторон [43]. Взависимости от конструкции GAA транзисторы могут иметь два или четырефункционирующих затвора [44,45,46].3D NANDVSATTCATр-BiCSVGРисунок 1.19 – Классификация ячеек памяти по новым принципаммасштабирования [44-50]P-Bit-cost scalable (p-BiCS) 3D NAND flash-памятьToshiba и Samsung разрабатывают средства создания вертикальной битовойстроки, для увеличения количества ячеек в сопряженных областях кремния(Рисунок 1.20(а)).
Такая структура имеет преимущество в том, что слой снитридом не изолирован от каждого управляющего затвора. Соответственно нетнеобходимости в ряде дополнительных этапов производства.Технология flash-p-BiCS достигает высокой надежности процессов записи истирания по средствам метода туннелирования Фаулера-Нордгейма (FN).31Туннелирование достигает большего эффекта из-за кривизны и малого радиусатрубки, низкого сопротивления металлических токопроводящих дорожек ижесткого контроля затворов выбора (SG) из-за низкой тепловой проводимости.Данная архитектура имеет U-образную строку для уменьшения паразитногосопротивления в нижней ее части.
Выбирающий затвор имеет ассиметричнуюструктуру для уменьшения токов утечки [47].Terabit Cell Array Transistor (TCAT) 3D NAND flash-памятьКак и в конструкции р-BiCS, процесс начинается с нанесения несколькихслоев на поверхность подложки, но в TCAT процесс начинается с чередующихсяслоев нитрида кремния и диоксида кремния (Рисунок 1.20(б)). Нитрид кремнияслужит в качестве заполнителя и удаляется, а место, которое он занимает,заполняется материалом для затвора.Особенностью TCAT является то, что данная технология меньше стеснена вгоризонтальной плоскости, чем технология р-BiCS. Ожидается, что это позволитTCAT добиться лучшей масштабируемости на предельных возможностяхлитографии, чем по технологии р-BiCS [48].Vertical stacked array transistors (VSAT) 3D NAND flash-памятьИсследователи Калифорнийского университета изобрели надежную ипростую 3D структуру VSAT, по 100 нм топологии для ультравысокой плотностиустройствflash-памятипроизводительностииNANDмобильностиприканала.одновременномТехнологияповышенииVSATобразуетуникальный вертикальный способ интеграции (Рисунок 1.20(в)).
Обладает низкойстоимостью производства, упрощенным процессом изготовления, высокойплотностью и простой интеграцией с периферийными схемами. Предполагается,что емкость VSAT может составлять 128 Гб с 16 слоями по топологии 50 нм [49].Vertical Gate NAND (VG-NAND) 3D NAND flash-памятьПамять VG-NAND разрабатывается компанией Samsung и на данныймомент превосходит другие виды 3D NAND памяти. Данная технологияпозволяет преодолеть рубеж масштабирования ячейки памяти в 20 нм.
КомпаниейSamsung уже выпускаются чипы, имеющие до 16 слоев ячеек памяти. Данная32технология позволяет располагать линии слов с шагом литографии в 37,5 нм, абитовые линии с шагом в 75 нм (Рисунок 1.20(г)). Ключевой особенностью VGNAND является возможность менять направление выбора битовых линий истраниц, повышая, таким образом, эффективность работы памяти. Способформирования контактов битовых линий позволяет не только свести к минимумучисло технологических этапов при производстве, но и уменьшить стоимостьпроизводства [50].На основе анализа перспективных типов flash-памяти, составлена ихсравнительная характеристика (Таблица 1.7).Рисунок 1.20 – Существующие виды 3D NAND памяти:а) p-BiCS, б) TCAT, в) VSAT, г) VG-NAND.1-Затвор выборки, 2-Линия бит, 3-Линия слов, 4-Исток, 5-Поликремниевый каналТаблица 1.7 – Параметры существующих видов 3D NAND памяти [44-50,80]ПараметрыРазмер ячейки поосям X,YПроцессразмещениязатвораПротекание токаСтруктура затвораМасштабированиеp-BiCSTCATVSATVG6F2(3F*2F)6F2(3F*2F)6F2(3F*2F)4F2(2F*2F)Затвор в первуюочередьЗатвор впоследнююочередьЗатвор в первуюочередьЗатвор впоследнююочередьВертикальноеСинусоидальноеГоризонтальноеGAA> 50 nmПланарная> 50 nmDouble Gate> 2x nmU-образноенаправлениеGAA> 50 nm33ПределомминимальныемасштабированияразмерыминиатюризацияклассическихэлементовэлектроникиипорядкаповышениеМДП-структур11 нм[6,23].вычислительныхсчитаютДальнейшаямощностейпредставляется возможной в случае расширения функционала существующейэлементной базы с помощью интеграции новых технологий.
На сегодняшний деньуже созданы прототипы принципиально новых транзисторов (CNFET, GFET, GеnMOSFET), а так же исследуют возможность применения перспективныхполупроводников (GaAs, InP, MoS2). Ведущие мировые производители ужесегодня вплотную приблизились к заявленным в ITRS пределам. Такие компаниикак TSMC, Intel, Samsungразмерами10 нм.анонсировали выпуск ИМС с минимальнымиПоявлениетехнологииGAAивнедрениеновыхтехнологических циклов в производство логики и запоминающих устройствпоспособствовало созданию и успешной интеграции 3D технологий в областиполупроводниковой памяти.
Масштабирование flash и DRAM памяти практическидостигло своих пределов. Компания Micron инициировала начало тестированияDRAM памяти выполненной по 10 нм технологии, а компания Samsung уже вближайшие годы планирует выпускать чипы flash-памяти с топологическойнормой 5 нм. Альтернативой существующим видам памяти являются T-RAM,Z-RAM, MRAM, FеRAM, PRAM и др.Несмотря на обилие перспективных видов ЗУ их совокупная доля на рынкене превышает 0,5% [1-6,23,17,22]. Это связано с тем, что разработка ипроизводство новых видов ЗУ требует колоссальных средств. В связи с этим вближайшей перспективе не стоит ожидать существенных изменений в сектореинноваций рынка ЗУ. Доминирующую роль на рынке ЗУ в десятилетнейперспективе по-прежнему будут играть flash и DRAM память.1.3 Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) на основехранения зарядаОдним из самых быстро растущих сегментов рынка микроэлектроникиявляетсяполупроводниковаяпамять.Совершенствованиетехнологических34процессов и растущие масштабы производства полупроводниковой памятипривели к ее удешевлению и доступности на мировом рынке.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
