Ali Pourkeramati ist CEO von FMC Dresden. (Bild: FMC)

Ali Pourkeramati ist CEO von FMC Dresden. (Bild: FMC)

Der ferroelektrische FET (FeFET) ist eine Speichertechnologie, die die ferroelektrischen Eigenschaften von dotiertem Hafniumoxid nutzt. Vorgestellt wurde die Technologie des Dresdner Start-ups Ferroelectric Memory Company (FMC) das erste Mal Mitte 2018. Mit einer erfolgreichen B-Finanzierung Ende 2020 nimmt die Weiterentwicklung der Technologie weiter Fahrt auf und es gibt erste vorsichtige Pläne für die Kommerzialisierung. FMC-CEO Ali Pourkeramati erklärt im Interview mit all-electronics die Ursprünge und Hintergründe der Technologie sowie ihre Marktpotenziale.

Woher kam die ursprüngliche Idee, die kristalline Phase von Hafniumoxid zu nutzen, um aus einem Transistor eine Speicherzelle zu machen?

Ali Pourkeramati: Die ferroelektrischen Eigenschaften von HfO2 wurden 2006/2007 von der DRAM-Firma Qimonda entdeckt, die 2009 ihren Betrieb einstellte. Die Forschung an ferroelektrischen Speicherzellen wurde dann in Forschungsprojekten fortgesetzt, die schließlich zur Gründung von FMC führten.

 

Die Technologie nutzt bereits etablierte Herstellungsprozesse…

Ali Pourkeramati: Ja, damit ist es viel einfacher für uns, in die Fabs zu gelangen, da die Tools zum Abscheiden des Materials bereits installiert sind und das Material keine Kontaminationsbeschränkungen der aktuellen CMOS-Fabs verletzt.

Der FeFET nutzt die ferroelektrischen Eigenschaften von Hafniumoxid, die 2006/2007 von Quimonda entdeckt wurden. (Bild: FMC)
Der FeFET nutzt die ferroelektrischen Eigenschaften von Hafniumoxid, die 2006/2007 von Quimonda entdeckt wurden. (Bild: FMC)

Wie steht der FeFET im Vergleich zu anderen aufkommenden Speichertechnologien da?

Embedded Flash (eFlash) wird unterhalb der 28-nm-Technologie nicht mehr eingesetzt werden, alle Fabs weltweit gehen zu neuen Speicherkonzepten wie Resistive RAM oder Magnetic RAM über. Diese neuen Konzepte sind besser in Bezug auf die Skalierbarkeit, haben aber einen großen Nachteil: Beim Beschreiben muss ein Strom durch die Speicherzelle geschickt werden. Dies führt zu vielen Problemen in Bezug auf den Stromverbrauch, die Leistung des Speichers in Bezug auf die Schreib- und Lesegeschwindigkeit und den Flächenverbrauch auf dem Siliziumchip.

Power, Performance and Area (PPA) ist die Hauptmetrik in der Halbleiterindustrie, bei der diese aufstrebenden Speicherzellen mittel- bis langfristig auf Probleme stoßen werden, und zwar aufgrund ihrer Beschaffenheit, d.h. eben der grade erwähnten Tatsache, dass zum Beschreiben des Speichers ein Strom durch die Zelle fließen muss.

Beim FeFET ist das grundsätzlich anders: Eine FeFET-Zelle wird nur durch Anlegen eines elektrischen Feldes über den Gate-Stack des Speichers beschrieben. Es fließt also kein Strom während des Schreibvorgangs. Die FeFET-Zelle wurde so konstruiert, dass sie bestehende und aufkommende Speicher in Bezug auf PPA, sowohl mittelfristig als auch langfristig, übertrifft.

Wie geschieht die Herstellung der kristallinen HfO2-Schicht?

Ali Pourkeramati: Da die FeFET-Zelle von einer Logikzelle abgeleitet ist, lassen Sie uns darüber sprechen, was man an einer Logikzelle ändern muss, um sie in einen FeFET zu verwandeln: In einem Logiktransistor wird bereits HfO2 als Gate-Isolator verwendet (seit der Einführung der 45-nm-Technologie, Anm. der Red.). Man erhöht die Dicke des HfO2-Isolators (statt 2 nm für Logikbausteine auf z.B. 7 nm) und dotiert das Material mit bestimmten chemischen Elementen. Danach wird das Material zur Kristallisation ausgeheilt. Dies ist der Hauptunterschied zu logischen Bauelementen: Der FeFET benötigt einen kristallinen Film (in dem die Atome eine langreichweitige Ordnung aufweisen), für Logikbausteine kommt ein amorpher Film (in dem die Atome keine langreichweitige Ordnung aufweisen) zum Einsatz.

Das Speicherprinzip des FeFET beruht darauf, dass die Sauerstoffatome im Material zwei stabile Zustände besitzen. Diese lassen sich durch Anlegen eines elektrischen Feldes an den Transistor-Gate-Stack schalten. (Bild: FMC)
Das Speicherprinzip des FeFET beruht darauf, dass die Sauerstoffatome im Material zwei stabile Zustände besitzen. Diese lassen sich durch Anlegen eines elektrischen Feldes an den Transistor-Gate-Stack schalten. (Bild: FMC)

Wie funktioniert damit das Speicherprinzip des FeFET?

Der kristalline Film besitzt zwei stabile Zustände für die Sauerstoffatome. Diese lassen sich durch Anlegen eines elektrischen Feldes an den Transistor-Gate-Stack schalten. Dies geschieht zum Beispiel durch Anlegen von +4 V an das Gate, während Source, Drain und Bulk auf Masse bleiben. Die Sauerstoffatome verschieben sich nach oben und erzeugen einen Dipol, der die Schwellenspannung des Transistors zu niedrigeren Werten verschiebt. Legt man stattdessen -4 V an das Gate an, so verschieben sich die Sauerstoffatome nach unten, was wiederum zu einer Erhöhung der Transistorschwellenspannung führt.

Dieser Unterschied in den Schwellenspannungen lässt sich zerstörungsfrei messen, indem eine kleine Lesespannung an das Gate anlegt wird (z.B. 1 V) und ein Strom von Source zu Drain getrieben wird, indem am Drain z.B. 1 V anliegt, während Source auf Masse bleibt. Wenn Strom fließt, weiß man, dass die Zelle mit +4 V geschrieben wurde, wenn kein Strom fließt, weiß man, dass die Zelle mit -4 V geschrieben wurde.

Was kann das Material heute schon und welche Weiterentwicklungen hinsichtlich der wesentlichsten Speicherparameter erwarten Sie in der Zukunft?

Ali Pourkeramati: Wir haben ferroelektrisches HfO2 in verschiedene Transistorstrukturen integriert. Bisher haben wir die Zyklen-Endurance bis zu 105 und die Data Retention bei 150 °C veröffentlicht. Wir wissen, dass die Endurance in Laborkondensatoren bis zu 1012 betragen kann. Wir arbeiten daran, dies auch in der FeFET-Speicherzelle zu demonstrieren. Letztendlich wollen wir mehr als zehn Jahre Data Retention bei 150 °C und eine Endurance wie bei klassischen ferroelektrischen Speichern, d.h. 1014 oder mehr, nachweisen.

Aktuelle und potenzielle Eigenschaften für Speicher auf Basis des FeFET. (Bild: FMC)
Aktuelle und potenzielle Eigenschaften für Speicher auf Basis des FeFET. (Bild: FMC)

Flash-Speicher hat das Problem, dass er nicht mit der Transistor-Technologie mitskaliert. Kann das aber der FeFET?

Ali Pourkeramati: Bei Flash gibt es das Problem, dass mehr als 10 V zum Schreiben/Löschen notwendig sind. Unsere Zellen können im Moment zwischen 2 V und 4 V schalten, mit dem Potenzial, unter 1,5 V zu gehen, indem man den Gate-Stack anpasst. Daher sind wir überzeugt, dass FeFET mit CMOS skalieren kann.

Aktuelle Embedded-Flash-Speicher haben Probleme mit der Skalierung und den Kosten. Für die zukünftige Generation von FinFET und andere wie Nanowire wird das störend sein. Wir brauchen eine eNVM-Technologie, die kostengünstig, skalierbar, hochleistungsfähig und sehr stromsparend im Backend der Produktionslinie eingesetzt werden kann. Die Technologie von FMC wird die Barriere zwischen einem „Storage“-Speicher und einem „Computing“-Speicher durchbrechen.

 

Lässt sich der FeFET auch in erst noch in Entwicklung befindliche Transistortechnologien überführen, also z.B. in einen Nanodraht-Transistor in 3-nm-Technologie und könnte er eFlash ersetzen?

Ali Pourkeramati: FMC entwickelt eine FeFET-Speicherzelle, die auf die fortschrittlichsten Technologieknoten abzielt, d.h. auf die Nanosheet- und Nanowire-Knoten. Das ist eine anspruchsvolle Aufgabe, aber wenn wir Erfolg haben, wird dies nichtflüchtige Prozessor-Designs ermöglichen, was eine grundlegende Veränderung für die Halbleiterindustrie bedeuten würde.

FMCs Speichertechnologie mit ferroelektrischem Hafniumoxid als FeFET oder FeCAP ist eine aufstrebende Speichertechnologie, die alle verschiedenen Arten von Anwendungen von eNVM über Edge Computing (Neuromorphic), RRAM, MRAM CACHE bis hin zu Standalone-Speicher für Massenspeicher abdecken wird. FeFET hätte durchaus auch das Potenzial, den Embedded-Flash zu ersetzen.

Der FeFET ist in der Lage, aus praktisch jeder Transistortechnologie eine Speicherzelle zu machen. Damit lässt er sich auch z.B. bei Nanodraht-Transistoren in 3-nm-Technologie einsetzen. (Bild: FMC)
Der FeFET ist in der Lage, aus praktisch jeder Transistortechnologie eine Speicherzelle zu machen. Damit lässt er sich auch z.B. bei Nanodraht-Transistoren in 3-nm-Technologie einsetzen. (Bild: FMC)

Wann sind die ersten Produkte auf dem Markt zu erwarten, die FeFETs enthalten?

Ali Pourkeramati: Unser Ziel ist es, die Technologie innerhalb der nächsten drei Jahre zu qualifizieren. Danach lizenziert FMC seine FeFET-Makro-Produkte für den kommerziellen Einsatz in den Bereichen Consumer, IoT und Industrial und kurz darauf in Automotive.

 

Sie haben schon einige erfolgreiche Investitionsrunden gemeistert. Unter welchen Gesichtspunkten suche Sie sich Ihre Investoren aus?

Ali Pourkeramati: Sie müssen die Halbleiterindustrie verstehen und wissen, was es braucht, um eine völlig neue Speichertechnologie auf den Markt zu bringen. Außerdem suchen wir neben Kapital auch Investoren, die uns helfen können, die Entwicklung unserer Technologie zu beschleunigen. eCAPITAL ist ein Finanzinvestor, der die Akteure auf dem europäischen Markt kennt und ein großartiger Partner für künftige Kapitalbeschaffung sein wird.

Bosch hilft uns als Anwender von NVM-Speichern: Ihre Anforderungen an neue NVM und VM werden uns helfen, unsere Technologie für bestimmte Anwendungen wie Auto, KI-Prozessoren und so weiter zu definieren und anzupassen. TEL Ventures wird uns mit seinen Tools bei der Technologieentwicklung helfen, Merck kann uns bei der Entwicklung von Materialien helfen und Imec-Xpand bietet uns Hilfe bei der zukünftigen Entwicklung von Technologien. Und als großes Halbleiterspeicherunternehmen kann uns SKH bei der zukünftigen Ausrichtung bei Standalone-Speichern helfen.

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