Mikroelektroniikan instituutin akateemikon Liu Mingin kehittämä ja suunnittelema uudentyyppinen hafniumpohjainen ferroelektrinen muistisiru on esitelty vuonna 2023 IEEE International Solid-State Circuits Conferencessa (ISSCC), joka on integroitujen piirien suunnittelun korkein taso.
Suorituskykyinen sulautettu pysyvä muisti (eNVM) on erittäin kysytty SOC-sirujen lähde kulutuselektroniikassa, autonomisissa ajoneuvoissa, teollisuuden ohjausjärjestelmissä ja esineiden internetin reunalaitteissa. Ferroelektrisellä muistilla (FeRAM) on etuna korkea luotettavuus, erittäin alhainen virrankulutus ja suuri nopeus. Sitä käytetään laajalti suurten tietomäärien reaaliaikaisessa tallennuksessa, tiedon tiheässä lukemisessa ja kirjoittamisessa, alhaisessa virrankulutuksessa ja sulautetuissa SoC/SiP-tuotteissa. PZT-materiaaliin perustuva ferroelektrinen muisti on saavuttanut massatuotannon, mutta sen materiaali on yhteensopimaton CMOS-teknologian kanssa ja sitä on vaikea kutistaa, mikä johtaa siihen, että perinteisen ferroelektrisen muistin kehitysprosessi on vakavasti haitallinen, ja sulautettu integraatio vaatii erillisen tuotantolinjan tuen, minkä vuoksi sitä on vaikea levittää laajamittaisesti. Uuden hafniumpohjaisen ferroelektrisen muistin pienennettävyys ja yhteensopivuus CMOS-teknologian kanssa tekevät siitä yleisen huolenaiheen tutkimuskohteen akateemisessa maailmassa ja teollisuudessa. Hafniumpohjaista ferroelektristä muistia on pidetty tärkeänä seuraavan sukupolven muistin kehityssuunnana. Tällä hetkellä hafniumpohjaisen ferroelektrisen muistin tutkimuksessa on edelleen ongelmia, kuten riittämätön yksikön luotettavuus, täydellisen oheispiirin sisältävän sirusuunnittelun puute ja sirutason suorituskyvyn lisävarmentaminen, mikä rajoittaa sen soveltamista eNVM:ssä.
Mikroelektroniikan instituutin akateemikko Liu Mingin tiimi on vastannut sulautettujen hafniumpohjaisten ferroelektristen muistien kohtaamiin haasteisiin ja suunnitellut ja toteuttanut ensimmäistä kertaa maailmassa megababittisuuruusluokan FeRAM-testisirun, joka perustuu CMOS-yhteensopivan hafniumpohjaisen ferroelektrisen muistin laajamittaiseen integrointialustalle. Tiimi on onnistuneesti integroinut HZO-ferroelektrisen kondensaattorin laajamittaisesti 130 nm:n CMOS-prosessiin. Testeissä esitetään ECC-avusteinen kirjoitusohjainpiiri lämpötilan mittaamiseen ja herkkä vahvistinpiiri automaattiseen offsetin poistamiseen. Testeissä saavutetaan 1012 syklin kestävyys sekä 7 ns:n kirjoitus- ja 5 ns:n lukuaika, jotka ovat tähän mennessä parhaat raportoidut tasot.
Artikkeli ”A 9-Mb HZO-based Embedded FeRAM with 1012-Cycle Endurance and 5/7ns Read/Write using ECC-Assisted Data Refresh” perustuu tuloksiin, ja Offset-Canceled Sense Amplifier valittiin ISSCC 2023 -konferenssiin, ja siru valittiin esiteltäväksi konferenssissa ISSCC:n demotilaisuudessa. Artikkelin ensimmäinen kirjoittaja on Yang Jianguo ja vastaava kirjoittaja Liu Ming.
Tutkimustyötä tukevat Kiinan kansallinen luonnontieteiden säätiö, tiede- ja teknologiaministeriön kansallinen keskeinen tutkimus- ja kehitysohjelma sekä Kiinan tiedeakatemian B-luokan pilottihanke.
(Kuva 9 Mt:n hafniumpohjaisesta FeRAM-sirusta ja sirun suorituskykytestistä)
Julkaisun aika: 15. huhtikuuta 2023
