RICERCA ITALIANA     

Memorie nanometriche non-volatili a cambiamento di fase

Politecnico di Milano

Abstract

Le memorie non-volatili a gate flottante sono oggi uno dei principali prodotti dell'industria microelettronica e loro miniaturizzazione ha contribuito in modo determinante allo sviluppo dei sistemi portatili tipici dell'odierna società dell'informazione. Tuttavia è ormai chiaro che le prestazioni di questi componenti sono destinate a degradarsi al procedere della miniaturizzazione: memorie a gate flottante di dimensioni inferiori a 65nm perderanno progressivamente la capacità di ritenere l'informazione.

Ciò ha indotto la comunità scientifica ed industriale ad intensificare la ricerca di tecnologie non volatili capaci di scalabilità nanometrica. Tra i dispositivi più innovativi e promettenti vi sono le memorie a cambiamento di fase (phase change memories, PCM). In questi componenti la cella di memoria è essenzialmente un resistore in cui la diversa fase, amorfa o cristallina, del materiale tra i due elettrodi si riflette in una diversa resistenza elettrica del componente. Recentemente è stata dimostrata la funzionalità di celle e matrici PCM e, concettualmente, il componente potrebbe essere scalato fino a dimensioni dell'ordine di pochi nanometri.

Tuttavia, benché le prestazioni fin qui riportate e le prospettive di miniaturizzazione abbiano avuto ampia risonanza, manca ancora una conoscenza sistematica ed approfondita del funzionamento di questi dispositivi e, in generale, c'è da sviluppare ed organizzare in modo sistematico le conoscenze >>>

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Andrea Leonardo LACAITA Politecnico di MILANO

Obiettivo del Programma di Ricerca

Le memorie non-volatili a gate flottante in tecnologia CMOS sono oggi uno dei principali prodotti dell'industria microelettronica. La crescita esponenziale di questo segmento di mercato è iniziata nel 1995 grazie all'introduzione delle memorie Flash in sistemi portatili come cellulari, lettori MP3, fotocamere digitali. Nel corso dell'ultimo decennio la riduzione delle dimensioni delle singole celle ed il corrispondente aumento di densità di integrazione sono proseguiti in modo sistematico e l'International Technology Roadmap for Semiconductor (ITRS) 2003 prevede che i dispositivi Flash, nelle varianti NAND e NOR, possano aggredire il nodo tecnologico da 65 nm nel 2007, senza significative variazioni di struttura.

Le memorie Flash NAND e NOR si differenziano solo per l'architettura della matrice di memoria ma si fondano sullo stesso principio di funzionamento e ne condividono quindi i limiti. In tutti questi dispositivi l'informazione è associata alla carica presente su un elettrodo isolato (gate flottante) e, per poter definire "non volatile" la cella di memoria, tale carica deve permanere sull'elettrodo per almeno 10 anni. Proprio queste specifiche di ritenzione limitano la riduzione di spessore dei dielettrici che circondano l'elettrodo di gate flottante e, da ultimo, l'ulteriore miniaturizzazione dell'intera cella di memoria. E' proprio il principio fisico su cui si fondano questi dispositivi che entra in crisi al procedere della miniaturizzazione >>>

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Il cambiamento di fase in materiali calcogenuri è stato già ampiamente utilizzato nella memorizzazione ottica ed il suo impiego nella memorizzazione elettronica è stato proposto già alla fine degli anni '60 [1]. I materiali a cambiamento di fase consistono essenzialmente in vetri semiconduttori tra i cui elementi compaiono i calcogeni, ovvero gli elementi del VI gruppo della tavola periodica. Le loro proprietà sono state oggetto di studio a partire dal pionieristico lavoro di S. Ovshinsky nel 1968 [1]. Essi hanno trovato inizialmente impiego nella xerografia. In tempi più recenti, i calcogenuri sono stati utilizzati come strati attivi in CD ed in DVD riscrivibili. In queste applicazioni l'informazione binaria è associata alla fase del materiale sfruttando la diversa riflettività del materiale nello stato amorfo ed in quello cristallino. La scrittura dell'informazione è realizzata utilizzando un impulso laser. In particolare, la transizione dalla fase amorfa a quella cristallina è indotta dall'innalzamento locale della temperatura. Per temperature superiori ai 200°C la nucleazione dei cristalliti nella fase amorfa è veloce e la transizione alla fase cristallina avviene rapidamente. Per temperature attorno a 450°C i tempi di transizione possono essere dell'ordine del centinaio di nanosecondi. Per riportare il calcogenuro allo stato amorfo si innalza, sempre con un impulso laser, la sua temperatura sopra il punto di fusione (650°C circa). Il raffreddamento repentino successivo >>>