L’hafnium pour le stockage des données de demain ?

Depuis maintenant plus de 10 ans, les chercheurs travaillent sur les propriétés ferroélectriques de l’oxyde d’hafnium pour développer le stockage de données de demain. De telles solutions proposeraient une consommation d'énergie réduite, une endurance élevée et une bonne rapidité en lecture/écriture. Reste à passer de la théorie à la pratique, ce qui n’est jamais une mince affaire.

Commençons par des présentations. L’hafnium est un « métal rare, analogue au zirconium » explique le Larousse. Il porte le numéro atomique 72 et son symbole est Hf. Le site officiel MinéralInfo ajoute qu’il « est utilisé principalement dans les superalliages pour l’industrie aéronautique et sous forme d’anode dans les torches à plasma ».

Quelques informations ensuite sur ce métal. « Il n’y a pas de mine d’hafnium à proprement parler. La production primaire est métallurgique et obtenue à partir de résidus obtenus lors de la purification du zirconium sous forme de métal. Les principaux pays de production d’hafnium sont la France et les États-Unis », peut-on également lire. Il est classé comme ayant une « forte criticité » pour la France. Elle pourrait s’aggraver si l’hafnium devait être davantage utilisé.

Le comportement ferroélectrique de l’hafnium

Et donc, quel rapport avec notre choucroute sur le stockage des données ? On y vient et on va pour cela citer la thèse de Terry François à l’université d’Aix-Marseille (soutenue en novembre 2022) sur la « caractérisation électrique et analyse de mémoires non-volatiles embarquées à base de matériaux ferroélectriques ».

Le chercheur y rappelle que, « depuis les années 2000, les diélectriques à base d’hafnium sont couramment utilisés pour les applications CMOS en raison de leur forte permittivité. Ils font maintenant partie des lignes de fabrication conventionnelles pour les plateformes de nœuds 28 nm et au-delà ». L’oxyde d’hafnium (HfO₂, alias hafnia ou hafnie) est utilisé comme isolant à la place de l’oxyde de silicium SiO₂. Bref, ce composant n’est pas inconnu dans l’industrie, loin de là.

Mais, en 2011, une découverte a chamboulé les perspectives et donné un second intérêt à l’hafnium : ce matériau peut, dans certaines configurations, présenter un comportement ferroélectrique. Ce dernier est intéressant pour des solutions de stockage, rappelle le CNRS : « les matériaux ferroélectriques présentent une polarisation électrique spontanée, qui peut être maintenue sans consommation d’énergie et renversée à l’aide d’impulsions électriques ». On parle donc de mémoire non volatile, comme les disques durs et les SSD, mais pas la mémoire vive qui s’efface lorsque la machine n’est plus alimentée en courant.

Des travaux sur les performances et la fiabilité

Depuis donc maintenant un peu plus d’une dizaine d’années, le hafnium est étudié de près. Le CEA, par exemple, proposait cette année un sujet de thèse sur l’« évaluation des performances et de la fiabilité des mémoires ferroélectriques à base d'oxyde d'hafnium pour une intégration vers les nœuds avancés ».

Dans le descriptif, le centre de recherche explique que, « pour éviter une augmentation significative de la consommation d'électricité mondiale due au stockage [des données produites au niveau mondial, en perpétuelle augmentation, ndlr], il est nécessaire de développer des technologies mémoires non volatiles performantes, économes en énergie et denses ».

Et justement, la mise en lumière de ferroélectricité dans l'oxyde d'hafnium (HfO2) « a suscité un intérêt marqué tant au niveau scientifique qu'industriel pour les mémoires ferroélectriques ». Parmi les avantages mis en avant par le CEA, on retrouve une consommation d'énergie réduite, une endurance élevée et de la rapidité lors de l'écriture et de la lecture. Aucun chiffre précis n’est donné, mais ces perspectives ont déjà de quoi susciter un fort intérêt pour cette technologie auprès des chercheurs, mais aussi des industriels.

Robustes, rapides, économes…

Cela va en effet dans le sens des déclarations du professeur Sobhit Singh du département de génie mécanique de l’université de Rochester : « Actuellement, pour stocker des données, nous utilisons des formes de mémoire magnétiques qui sont lentes, nécessitent beaucoup d’énergie pour fonctionner et ne sont pas très efficaces. Les formes ferroélectriques de mémoire sont robustes, ultrarapides, moins chères à produire et plus économes en énergie ».

En 2022, l’ANR proposait des appels à projets sur le domaine suivant : « Dopage et physique des défauts pour l'optimisation des propriétés électriques de l’oxyde d’hafnium ferroélectrique ». Ces dispositifs étaient là aussi présentés comme de possibles « mémoires non-volatiles ultra-basse consommation ».

… mais difficile à fabriquer pour le moment

L’ANFR explique que l’oxyde d’hafnium et de zirconium (HfxZr1-xO2) est le matériau le mieux adapté « pour fabriquer des couches ferroélectriques ultra-minces (10nm) possédant une polarisation rémanente élevée », mais que « cet alliage nécessite la présence de lacunes d’oxygène (VO) […] et montre des problèmes de fiabilité ».

Le but du projet de recherche était d’explorer une nouvelle voie, « en étudiant la structure atomique et électronique du dioxyde d’hafnium (HfO2) ». C’est un des enjeux de l’hafnium : trouver la bonne chimie pour que le stockage des données puisse se faire dans les meilleures conditions possibles.

Sobhit Singh et son équipe cherchent également à passer ce cap : « Jusqu’à récemment, les scientifiques ne pouvaient amener l’hafnia à son état ferroélectrique métastable qu’en le filtrant sous la forme d’un mince film bidimensionnel d’épaisseur nanométrique ». En 2021, ils ont trouvé un moyen pour « l’hafnia de rester à son état ferroélectrique métastable en alliant le matériau avec de l’yttrium et en le refroidissant rapidement », une méthode qui n’est pas non plus sans inconvénients (les détails se trouvent par ici).

Ils ont ensuite identifié « une nouvelle approche […] améliorant considérablement la qualité et la pureté des cristaux de hafnia ». Ils cherchent maintenant « un moyen de produire de l’hafnia ferroélectrique en vrac pour une utilisation généralisée ».

Vers de la 3D NAND à plus de 1 000 couches chez Samsung ?

Enfin, la ferroélectricité de l'hafnium et son intérêt pour le stockage seront à l’honneur de la conférence VLSI à Honolulu au mois de juin, comme le rapporte WccfTech. Des chercheurs de Samsung y parleront de l’avenir de la mémoire NAND 3D (QLC) avec plus de 1 000 couches, contre quelques centaines actuellement. De quoi voir une application pratique de la part d’un constructeur ?

Samsung ne donne pas le nombre exact, mais il serait question de 290 couches pour la 9ᵉ génération de V-NAND (NAND 3D) et de 430 couches dès l’année prochaine avec la 10ᵉ génération. Il est donc question de plus que doubler la densité. Selon les auteurs, leur travail apporterait la preuve que cette technologie « peut jouer un rôle clé dans le développement technologique de la V-NAND 3D, qui approche actuellement d’un état de stagnation ».

Reste maintenant à transformer l’essai. La multiplication des travaux et l’ouverture de nouvelles thèses et recherches sur le sujet laissent penser que l’on avance dans le bon sens. Personne ne semble pour le moment s’aventurer à annoncer une date pour que les premiers échantillons de mémoire HfO₂ arrivent sur le marché.