Una memoria elettrochimica a prova di futuro

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Il nuovo rapporto di ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors), rilasciato a novembre dello scorso anno, prevede una “decelerazione” del processo di scaling di molte tecnologie chiave, data la sempre crescente difficoltà realizzativa.
Ci si sta probabilmente avvicinando a ciò che ITRS definisce “red brick wall”: una serie di ostacoli tecnologici, che si dovrebbero incontrare dopo il 2005, metteranno fine all’egemonia della tecnologia CMOS, che dura ormai da trent’anni. A tutt’oggi questo muro sembra essere “poroso”: la generazione da 70nm è prevista per il 2008, mentre entro il 2013 le dimensioni minime litografiche scenderanno a ben 32nm. Tuttavia, nei prossimi anni, i dispositivi a semiconduttore e in particolare le memorie avranno probabilmente caratteristiche molto diverse dalle attuali tecnologie DRAM, SRAM e Flash. Per queste ultime, in particolare, data la necessità imprescindibile di elevate tensioni per la programmazione e per la cancellazione, la progressiva riduzione delle dimensioni della cella di memoria e della tensione di alimentazione porterà pericolosamente il punto di lavoro del dispositivo in prossimità del suo punto di rottura (breakdown). Per la tecnologia DRAM, d’altro canto, si profilano problemi di ritenzione di dati, a meno che non si trovino materiali dielettrici che garantiscano affidabilità nella memorizzazione di piccole quantità di carica in aree sempre più ridotte. Per questi motivi si sta intensificando la ricerca di soluzioni alternative. Una di queste, forse una delle più originali, è stata sviluppata da Axon Technologies Corporation, una startup americana fondata nel 1996: nota come Programmable Metallization Cell (PMC), è in grado di garantire, allo stesso tempo, bassi costi di produzione, elevata flessibilità, affidabilità, alte densità integrabili e la possibilità di utilizzo per realizzare memorie sia dinamiche, sia non volatili.

Come funziona una cella di memoria PMC

La tecnologia PMC si differenzia radicalmente da tutte le tecnologie di memoria sviluppate finora. Così come gli attuali dispositivi elettronici allo stato solido sfruttano le proprietà degli elettroni per il proprio funzionamento, una cella di memoria PCM sfrutta le proprietà degli ioni e i relativi fenomeni elettrochimici per variare in modo non volatile la resistività del materiale di cui è costituita e quindi per memorizzare bit di informazione. Questa tecnologia, nota già da diversi anni, ma sviluppata solo di recente per via di una serie di difficoltà realizzative, è in realtà adatta per diverse applicazioni, in microelettronica, optoelettronica e microfluidica, ma è nelle memorie allo stato solido che si sta attualmente concentrando l’interesse commerciale. Alcuni materiali vetrosi, detti calcogenuri, se combinati con l’argento, favoriscono la formazione di ioni se sottoposti a un campo elettrico. Si comportano quindi da elettroliti (cioè da “pile”) allo stato solido. Sfruttando questo principio è possibile realizzare una struttura che racchiude uno strato di elettrolita solido fra due contatti, come mostrato in figura 2, di cui uno (l’anodo) è ricco di ioni di argento e l’altro (il catodo) è inerte. Applicando una tensione di poche centinaia di millivolt ai capi di questa semplice struttura, è possibile provocare una reazione di ossidoriduzione: il catodo cede elettroni e gli ioni d’argento presenti nell’anodo ne acquistano, creando così una regione conduttiva fra i due terminali della cella. Quindi la resistenza di quest’ultima può essere variata anche di diversi ordini di grandezza, in modo non volatile e reversibile, semplicemente applicando un modesto campo elettrico.

Punti di forza

Uno dei principali punti di forza della tecnologia PMC è la piena compatibilità con il processo CMOS, che consente di integrare perfettamente una matrice di celle PMC con circuiteria in silicio. L’impianto di produzione di una memoria PMC è del tutto identico a quelli convenzionali; questo non può che agevolare la diffusione della nuova tecnologia e ridurne i costi di fabbricazione. Le basse tensioni necessarie per la programmazione e per la cancellazione (meno di 250mV) sono un aspetto unico della tecnologia e, oltre a garantire consumi estremamente ridotti, consentono di ottenere tempi di programmazione e di cancellazione confrontabili con quelli delle attuali DRAM, garantendo in più la non volatilità. A titolo di confronto basta considerare che le tecnologie di memoria non volatile convenzionale presentano tempi di programmazione e di cancellazione misurabili in millisecondi, superiori quindi di ben 6 ordini di grandezza. Un altro considerevole vantaggio della tecnologia PCM è, come già accennato, la densità di integrazione. Oltre a presentare dimensioni inferiori a quelle di una memoria DRAM, a parità di dimensioni litografiche (half pitch), una cella PCM permette anche di aumentare ulteriormente la densità (si veda ad esempio la tabella 1) tramite la memorizzazione di più bit per cella, definendo più intervalli di resistenze o impacchettando più celle sotto uno stesso elettrodo.

Applicazioni

Date le prestazioni in termini di densità, di costi di produzione, e di scalabilità, le basse tensioni di programmazione e di cancellazione, la non volatilità e i ridotti tempi d’accesso, di programmazione e di cancellazione, le applicazioni che possono trarre significativi vantaggi da questa tecnologia sono notevoli. Le soluzioni multimediali, informatiche, per la gestione dei dati e l’automazione d’ufficio, così come i nuovi sistemi di riconoscimento della voce e delle immagini potranno assistere a un’aggressiva riduzione dei costi di produzione e a un miglioramento nella funzionalità e nell’affidabilità. L’interesse per la nuova tecnologia è anche dimostrato dal recente accordo per la licenza sulla tecnologia che Axon Technologies ha stretto con Micron, produttore leader di DRAM, SRAM, Flash e moduli di memoria, famoso per l’impegno nello sviluppo di soluzioni innovative per la memorizzazione.

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