Imec osiąga przełomowe wyniki w badaniach nad pamięcią ferroelektryczną

Obciążenia związane ze sztuczną inteligencją powodują gwałtowny wzrost zapotrzebowania na pojemność pamięci. Chcąc sprostać ograniczeniom klasycznej pamięci DRAM w zakresie kosztów i gęstości zapisu, imec – centrum badań i innowacji w dziedzinie zaawansowanych technologii półprzewodnikowych – bada technologie pamięci ferroelektrycznej. Swoje osiągnięcia, skupiające się zarówno na kondensatorach ferroelektrycznych, jak i ferroelektrycznych tranzystorach polowych (FeFET), umożliwiających pracę przy niskim napięciu i integrację o wysokiej gęstości, przedstawiło podczas sympozjum IEEE / JSAP 2026 poświęconego technologii VLSI i obwodom.

FeFET FeCAP | źródło: imec

Coraz większe zainteresowanie pamięcią ferroelektryczną

Skalowanie konwencjonalnych technologii pamięci, takich jak DRAM i SRAM, staje się coraz trudniejsze. Rozwiązania ferroelektryczne natomiast pozwalają połączyć pracę przy niskim napięciu z możliwością gęstszej integracji 3D. Imec zaprezentował dwa osiągnięcia:

• niskonapięciowe kondensatory ferroelektryczne, które mogłyby stanowić podstawę przyszłej pamięci podobnej do DRAM,
• pionowo ułożone tranzystory FeFET do kompaktowych architektur pamięci o wysokiej gęstości dla systemów AI nowej generacji.

FeFET FeCAP | źródło: imec

Belgijskie centrum wykazało, że kondensatory ferroelektryczne umożliwiają pracę przy niskim napięciu (~1,3 V), dzięki zmniejszeniu grubości warstwy ferroelektrycznej, przy jednoczesnym zachowaniu wysokiej polaryzacji resztkowej (>40 μC/cm²) i trwałości (≥10¹³ cykli). Są to kluczowe wymagania dla zastosowań pamięciowych typu DRAM.

W ramach odrębnej demonstracji imec robi krok w kierunku pamięci ferroelektrycznej 3D o wysokiej gęstości, wykorzystującej pionowo ułożone tranzystory polowe ferroelektryczne (FeFET) oparte na IGZO [zaawansowany materiał półprzewodnikowy, tlenek indowo-galowo-cynkowy, z ang. indium gallium zinc oxide; stosowany w nowoczesnych ekranach LCD oraz OLED, do budowy tranzystorów cienkowarstwowych].

Praca ta stanowi pierwszą demonstrację działania pionowego stosu komórek pamięci FeFET z pięcioma liniami słów, zwiększającego gęstość zapisu dzięki ułożeniu tranzystorów jeden na drugim. Dzięki wprowadzeniu konfiguracji z podwójną bramką, zawierającej bramkę tylną, imec poprawia wydajność kasowania, co stanowi kluczowe wyzwanie dla technologii FeFET. Ta innowacja w architekturze podkreśla potencjał tranzystorów FeFET opartych na półprzewodnikach tlenkowych w przyszłych zastosowaniach pamięci o wysokiej gęstości.

Multidyscyplinarne podejście imec

Centrum łączy przedstawione koncepcje urządzeń poprzez wspólne materiały, strategie integracji oraz wspólną wizję skalowalnej pamięci ferroelektrycznej 3D. Oba podejścia opierają się na podobnych stosach materiałów ferroelektrycznych, gdzie spostrzeżenia uzyskane dzięki inżynierii międzyfazowej i skalowaniu kondensatorów mają bezpośrednie zastosowanie w optymalizacji urządzeń FeFET. Jednocześnie zaawansowane techniki integracji 3D, zademonstrowane w przypadku układania warstw FeFET, otwierają drogę do wdrażania trójwymiarowych macierzy kondensatorów ferroelektrycznych o wysokiej gęstości.

– Praca ta pokazuje, w jaki sposób wielodyscyplinarna wiedza specjalistyczna imec, od materiałoznawstwa po zaawansowaną integrację 3D, pozwala nam zmierzyć się z niektórymi z najpilniejszych wyzwań w dziedzinie technologii pamięci – powiedział Attilio Belmonte, dyrektor programu w imec.

Kluczowy moment dla branży półprzewodnikowej

Ponieważ technologie DRAM i SRAM zbliżają się do granic skalowalności, a obciążenia związane ze sztuczną inteligencją wymagają wykładniczo większej pojemności, zapotrzebowanie na nowe pamięci staje się coraz bardziej palące. Wykazana możliwość pracy kondensatorów ferroelektrycznych przy niskim napięciu wspiera koncepcję pamięci energooszczędnych, podczas gdy pionowo ułożone układy FeFET otwierają drogę do kompaktowych pamięci o wysokiej gęstości, odpowiednich dla architektur wbudowanych i komputerowych nowej generacji. Innowacje te oferują uzupełniające się ścieżki rozwiązania wyzwań związanych z wydajnością i kosztami w przyszłych systemach zorientowanych na dane.

– Badamy wiele ścieżek prowadzących do rozwiązań pamięciowych, które będą niezbędne do utrzymania szybkiego rozwoju sztucznej inteligencji i aplikacji intensywnie przetwarzających dane – dodał Maarten Rosmeulen, dyrektor programu w imec.

Planyudoskonalania obu koncepcji

Centrum zajmuje się również pozostałymi wyzwaniami, takimi jak trwałość i wydajność kasowania w tranzystorach FeFET oraz dalsze skalowanie napięcia i optymalizacja niezawodności w kondensatorach ferroelektrycznych. Koncentruje się na ocenie tych technologii na poziomie systemu, opracowaniu w pełni zintegrowanych architektur pamięci 3D oraz poprawie kluczowych wskaźników wydajności, w celu ich praktycznego wdrożenia. Wyniki znajdują się wciąż na etapie badań, ale stanowią ważny krok w kierunku technologii pamięci nowej generacji służącej do przechowywania danych i dostępu do nich w erze sztucznej inteligencji.