FeRAM: qué es y qué ventajas tiene

Una de las preocupaciones más destacables de la actual memoria principal, o memoria RAM, es que al ser de tipo DRAM es volátil, es decir, necesita energía de forma constante para mantener la información, además de refresco de datos. Sin embargo, esto podría cambiar con la llegada de nuevas tecnologías como la FeRAM, es decir, memorias ferroeléctricas que podrían volver al panorama de la computación una vez más, pero esta vez muy mejoradas…

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¿Qué es la FeRAM?

No hay que confundir a las nuevas FeRAM con las memorias de núcleos magnéticos o memoria de ferrita. Esta memoria fue usada en el pasado, hasta comienzos de los años 1970, cuando se sustituyeron por otras nuevas tecnologías. Sin embargo, actualmente se están desarrollando tecnologías FeRAM basadas en semiconductores.

El diseño de la memoria FeRAM, o memoria RAM ferroeléctrica, es simple, similar al de la SDRAM actual. Sin embargo, lo que se trata es de que cada celda pueda integrar un condensador de metal ferroeléctrico (de ahí su nombre) colocado con un MOSFET convencional. De esta forma, no será necesario alimentar la celda de memoria de forma constante para mantener los datos almacenados. Es decir, la FeRAM sería un tipo de RAM no volátil y, por tanto, de menor consumo.

El condensador podría cambiar entre los estados de polarización P- y P+ solo aplicando un campo eléctrico para la escritura de estas celdas. Desgraciadamente, en estas celdas el proceso de lectura del valor de polarización (para saber si se trata de un bit 0 o 1) es destructivo, lo que hace que la celda se reescriba tras la lectura, por lo que se necesitan soluciones para esto.

Además, las memorias FeRAM actuales se basan en condensadores de HfO2 dopados con circonio. Estos dispositivos son totalmente compatibles con los métodos de fabricación CMOS existentes, por lo que se podrían fabricar los chips de memoria en las mismas fábricas, sin modificaciones mayúsculas.

Para mantener la compatibilidad lógica de estas memorias, los diseñadores están investigando reducir el voltaje de escritura por debajo de 1.5v. Sin embargo, los óxidos de hafnio tienen campos coercitivos que necesitan voltajes de escritura muy altos por el momento. Uno de los motivos por los que estas memorias no están ya en el mercado.

Los altos campos necesarios para la conmutación de una celda ferroeléctrica también hacen que la fiabilidad a largo plazo de estos dispositivos pueda verse afectada. Durante la deposición, se forma una capa interfacial, que se cree que es un óxido metálico, entre las placas ferroeléctricas y de metal del condensador. Parece pasivar ambos materiales y facilitar la union en la interfaz. Tanto el campo de conmutación como el propio dipolo ferroeléctrico pueden degradar esta capa interfacial, lo que afecta tanto la retención de la polarización como la resistencia al ciclo.

Tecnologías

Hay que decir que existen varios tipos de memorias FeRAM prometedoras que pueden superar algunas de las limitaciones de las convencionales:

• Uniones de túneles ferroeléctricos: este tipo de FeRAM utiliza la polarización para modular la barrera de túneles de unión y, por lo tanto, su resistencia. La reducción del grosor de la capa ferroeléctrica aumenta la probabilidad de formación de túneles (efecto túnel), pero también reduce la relación de corriente de encendido/apagado. Aumentar la carga de polarización ayuda, aumentando la corriente de encendido y mejorando la relación de encendido/apagado. En las FeRAM, la presencia de un campo de despolarización no es deseable, lo que reduce el tiempo de retención. En los FTJ, sin embargo, es necesario un campo de despolarización para asegurarse de que los estados «encendido» y «apagado» tengan diferentes alturas de barrera.
• FeFET: como sabes, la mayoría de chips actuales están fabricados con transistores de efecto de campo, como los MOSFET o los más recientes FinFET, así comolos GAA, etc. Pero las memorias ferroeléctricas también podrían usar unos transistores similares, los FeFET, es decir, transistores de efecto de campo ferroeléctricos. En ellos se coloca un ferroeléctrico en serie con un dieléctrico convencional, con o sin una capa de metal intermedia. El voltaje umbral depende del estado de polarización del ferroeléctrico.

Además, los investigadores de la memoria FeRAM están trabajando en dos posibles estructuras de dispositivos de memoria:

• MFMIS: Metal/Ferroeléctrico/Metal/Aislante/Semiconductor.
• MFIS: Metal/Ferroeléctrico/Aislante/Semiconductor.

Estructuralmente, las memorias FeFET son similares a los transistores lógicos ferroeléctricos. En ambas aplicaciones, el cambio entre estados de polarización en el ferroeléctrico provoca un pico abrupto en el voltaje entregado al MOSFET subyacente. Los dispositivos lógicos FeFET dependen de este transitorio de «capacitancia negativa» para lograr una oscilación subumbral pronunciada y, a menudo, se describe como NCFET por este motivo.

Desafortunadamente, los picos de voltaje asociados con la conmutación ferroeléctrica también pueden inducir defectos y atrapamiento de carga. En FeRAM, como se discutió anteriormente, es deseable una polarización remanente alta porque aumenta el margen de detección. Sin embargo, en las memorias FeFET, la conmutación incompleta conduce a la combinación en el voltaje de umbral del dispositivo, lo que requiere un pulso más grande para garantizar una escritura exitosa. La reducción de la polarización remanente en las memorias FeFET reduce el estrés.

¿Cuándo las veremos en el mercado?

A medida que surjan mercados potenciales para las memorias comerciales FeFET, los investigadores deben analizar la captura, la generación de defectos y la confiabilidad del dispositivo con más detalle. Por el momento, no veremos estas memorias en el mercado, además de que se están desarrollando de forma paralela otras tecnologías alternativas.

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En general, el futuro de las memorias ferroeléctricas parece brillante. Aunque la resistencia y la confiabilidad deben mejorar, los problemas parecen estar relacionados con la optimización del proceso y el diseño más que con la física fundamental del material.