Eingebettete Speicher Nichtflüchtiges RAM mit FeFETs

Embedded Non-Volatile Memory (eNVM) auf FeFET-Basis
Embedded Non-Volatile Memory (eNVM) auf FeFET-Basis

Sie sind schnell, lassen sich wie die CMOS-Prozessorstrukturen verkleinern und vergessen die gespeicherte Information nicht beim Abschalten der Versorgungsspannung: Speicher aus FeFETs. Sie eignen sich besonders für die Integration in Mikrocontrollern und SoCs.

An nichtflüchtige Speicher, insbesondere Embedded-Speicher in Mikrocontrollern und Systems-on-Chip (SoC) werden hohe Anforderungen bezüglich der Anzahl von Schreibzyklen und Dauer der Datenerhaltung auch bei extremen Umgebungsbedingungen gestellt. Zusätzlich wird von diesen Speichern gefordert, dass sie mit der Entwicklung zu kleineren Transistorstrukturen für Prozessoren und SoCs schritthalten können.

Der aktuelle Industriestandard für nichtflüchtige eingebettete Speicher, embedded Flash, kann diese Anforderungen nur erfüllen, indem immer komplexere Fertigungsprozesse genutzt werden.

Speicher aus ferroelektrischen FETs (FeFETs) dagegen, können mit Standard-CMOS-Fertigungsprozessen hergestellt werden.

Grundlage eines FeFETs ist ein CMOS-Logik-FET. Um aus einem CMOS-Logik-FET einen FeFET zu machen, wird die ferroelektrische Eigenschaft von kristallinem Hafniumdioxid (HfO2) genutzt. Hafniumdioxid wird in amorpher Form als Gate-Isolatormaterial bei CMOS-Transistoren eingesetzt – bei Strukturgrößen von 45 nm bis 7 nm.

Kristallines Hafniumdioxid

Die Ferroelectric Memory GmbH (FMC) aus Dresden hat ein Verfahren entwickelt und patentieren lassen, mit dem es möglich ist amorphes HfO2 in kristallines, ferroelektrisches HfO2 umzuwandeln. Mit diesem Verfahren, das im Wesentlichen auf verschiedenen Temperschritten basiert und auch mit Opfermaterial eingesetzt werden kann, lässt sich jeder Standard-CMOS-FET in einen ferroelektrischen Feldeffekttransistor (FeFET) umgewandeln, um damit eine nichtflüchtige Speicherzelle zu bauen.

 

Bilder: 3

FeFET

FeFET der Ferroelectric Memory GmbH

 

Bei einem FeFET ist die Polarisationsrichtung des Hafniumdioxid-Materials nach einem positiven Schreibpuls am Gate zum Kanal gerichtet, so dass die Schwellenspannung des FETs verringert wird. Nach einem negativen Schreibpuls am Gate ist die Polarisation dagegen vom Kanal weg gerichtet, die Schwellenspannung wird erhöht.

Zum Lesen des Inhalts der Speicherzelle wird am Gate eine Spannung zwischen der erwarteten unteren und oberen Schwellenspannung angelegt und stellt anschließend fest, ob der FET leitet – »0« gespeichert – oder sperrt – »1« gespeichert (Bilder). Das kristalline Hafniumdioxid behält seine jeweilige Polarisation auch dann bei, wenn keine Spannung am FET anliegt. Ein FeFET-Speicher verliert folglich keine Informationen wenn die Versorgungsspannung fehlt, er ist nichtflüchtig.

Um die Technik der Umwandlung von amporphem HfO2 in kristallines ferroelektrisches HfO2 zu entwickeln, wurde die Forschung mit Mitteln des Europäischen Fond für regionale Entwicklung (EFRE) und des Freistaates Sachsen gefördert. Das Team, das 2016 die Ferroelectric Memory GmbH gründete, wurde außerdem durch das Förderprogramm »EXIST Forschungstransfer« des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie unterstützt.

Nicht nur Kostenvorteile bei der CMOS-Integration

Ein-Transistor-Speicher, die auf ferroelektrischem HfO2 basieren, bieten im Vergleich zu konkurrierenden neuen Speichern wie MRAM (Magnetoresistives RAM), PCM (Phase-Change-RAM) oder RRAM (Resitive RAM) drei Vorteile:

  1. FeFET-Speicher können hohe Ströme treiben und erlauben hohe Lese- und Schreibgeschwindigkeiten bei sehr niedriger Leistungsaufnahme.
  2. FeFET-Speicher sind robust gegenüber Umwelteinflüssen wie z.B. Magnetfeldern, Strahlung und extremen Temperaturen.
  3. FeFETs basieren auf High-k-Metall-Gate-CMOS-Techniken und können somit deren Vorteile bei der fortschreitenden Miniaturisierung nutzen. Für die Produktion von FeFETs lassen sich die existierenden Fertigungsanlagen nutzen und es sind keine zusätzlichen komplexen und teuren Fertigungsprozesse erforderlich.

FeFET-Speicher eignen sich u.a. ideal für Smart-Card-Controller, für Steuergeräte in Automobilen, IoT-Anwendungen sowie für KI- und Deep-Learning-Anwendungen und für mobile Geräte als auch für Rechenzentren.

Unterstützung für Entwickler und Hersteller

Halbleiter-Foundries erhalten mit der Lizenz von der Ferroelectric Memory GmbH Unterstützung bei der Entwicklung von FeFETs und Test-Chips, der elektrischen Charakterisierung und der Qualifizierung von Speicher-Arrays.

Zusammen mit seinen Foundry-Partnern (Lizenznehmern) bietet das Unternehmen IC-Entwicklern Makros für eNVM (embedded Non-Volatile Memory) an, inklusive Dokumentation und Simulationsmodellen. Mit den eNVM-Makros ist eine effiziente Integration von FeFET-Speichern in SoCs möglich.

Darüber hinaus entwickelt und qualifiziert die Ferroelectric Memory GmbH auch kundenspezifische Speicher, um Funktion, Speicherdichte, Formfaktor, Geschwindigkeit und Energiebedarf auf spezielle Anforderungen anzupassen.

Das Unternehmen demonstrierte FeFET-Speicherarrays mit 28- und 22-nm-Strukturen und hat damit das Potenzial aufgezeigt, FeFETs mit den neuesten CMOS-Fertigungstechniken zu produzieren.