Исследователи Московского Физтеха получили рекордно выносливую память на оксиде гафния-циркония (5 нм, 100 млн циклов). Объяснены природа токов утечки и механизм потери данных. Российский прототип превосходит зарубежные аналоги по ресурсу перезаписи.
Учёные МФТИ установили новый рекорд долговечности для сегнетоэлектрической памяти на основе оксида гафния-циркония (Hf₀.₅Zr₀.₅O₂). Самая тонкая из протестированных плёнок толщиной 5 нанометров выдержала более 100 миллионов циклов перезаписи, что в тысячи раз превышает ресурс современной флеш-памяти. Для сравнения, плёнки толщиной 6 и 8 нанометров выходили из строя уже после 1–10 миллионов циклов, а самая толстая плёнка (10 нм) показала наилучшую сохранность данных, но низкий ресурс перезаписи.
В Московском Физтехе выяснили, что главная причина токов утечки в сверхтонких плёнках — границы между кристаллическими зёрнами. При уменьшении толщины зёрна становятся мельче, суммарная длина их границ растёт, и эти границы работают как ловушки для электронов. Управлять эффектом можно, контролируя размер зёрен, режим отжига, материалы электродов и затравочные слои. Также установлено, что данные со временем теряются из-за импринта — накопления заряда на дефектах, которое создаёт собственное электрическое поле внутри плёнки и постепенно повышает напряжение считывания. На основе измерений конденсаторов с электродами из вольфрама и нитрида титана построена математическая модель, прогнозирующая поведение памяти на годы вперёд.
Выявлено фундаментальное правило: чем лучше сегнетоэлектрические свойства (выше остаточная поляризация), тем быстрее материал стареет под действием собственного поля. Это позволяет адаптировать память под задачи. Для кардиостимуляторов, где важна долговременная сохранность данных, подходят более толстые плёнки (около 10 нм). Для ускорителей ИИ и систем обработки видеопотоков, где нужны миллиарды циклов быстрой перезаписи, выигрывает ультратонкий слой (5 нм), жертвуя некоторой способностью держать заряд.
А что за рубежом? Российская работа находится на стадии лабораторного прототипа и фундаментального понимания физических механизмов. По выносливости (100 млн циклов) отечественные образцы превосходят большинство зарубежных аналогов. Например, в Южной Корее Samsung демонстрирует сегнетоэлектрические транзисторы (FeFET) с ресурсом около 10⁵ циклов и сохранностью данных более 10 лет — это на три порядка меньше, чем у плёнки МФТИ, однако Samsung уже внедряет такие решения в экспериментальные чипы с многоуровневым хранением (до 5 бит на ячейку) и снижением энергопотребления на 96% по сравнению с 3D NAND. В Японии (Институт науки Токио) создали сверхтонкие конденсаторы на основе AlScN общей толщиной 30 нм, совместимые с КМОП-процессами, но их ресурс не превышает 10⁹–10¹⁰ циклов, и они также остаются на лабораторной стадии. Исследования сверхрешёток HZO-ZrO₂ за рубежом позволяют достигать выносливости свыше 10¹² циклов, однако это пока единичные экспериментальные образцы без коммерческой реализации.
Что касается стадии внедрения, то сегнетоэлектрическая память (FeRAM) уже производится малыми сериями: мировой рынок FeRAM в 2025 году оценивается в эквиваленте 20-28 млрд рублей, ключевые игроки — Fujitsu, Cypress (теперь Infineon), а также Samsung и Intel, которые активно исследуют FeRAM на основе HfO₂ для замены встраиваемой флеш-памяти. Компании FMC и Neumonda продвигают гибридную память «DRAM+», сочетающую скорость DRAM с энергонезависимостью и совместимостью с техпроцессами до 10 нм. Однако все эти зарубежные коммерческие и предсерийные решения уступают по ресурсу перезаписи лучшим российским лабораторным образцам (100 млн циклов), хотя по плотности интеграции и зрелости технологических процессов западные и корейские разработки находятся на более высоком уровне — вплоть до гигабитных прототипов, тогда как в МФТИ исследуются единичные конденсаторы. Таким образом, российские учёные обладают научным заделом в области сверхвысокой выносливости сегнетоэлектрической памяти, но при этом наша страна отстает в инженерной подготовке к массовому производству и интеграции наших разработок в реальные чипы.
Иван Захаров, использовано фото МФТИ. На фото: Экспериментальный образец сегнетоэлектрической памяти, разработанный в Московском Физтехе.
Комментарии (0)