Aufbau und Funktionsprinzip von FeFETs

Die Embedded-Memory-Technologie von FMC nutzt die ferroelektrischen Eigenschaften von kristallinem Hafniumoxid. Hafniumoxid – in seiner amorphen Form – ist das Gate-Isolatormaterial von CMOS-Transistoren vom 45-nm- bis zum 7-nm-Knoten und darüber hinaus. Die patentgeschützte Technologie von FMC macht es möglich, amorphes in kristallines, ferroelektrisches HfO2 umzuwandeln. Auf diese Weise lässt sich jeder Standard-CMOS-Transistor in einen ferroelektrischen Feldeffekttransistor (FeFET) – und damit eine nichtflüchtige Speicherzelle – umwandeln.

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FeFETs sind CMOS-kompatible Speicherlösungen, die auf der ferroelektrischen Kristallphase dotierten Hafniumoxids beruhen.
Das Team von FMC (v.l.): Rashid Iqbal (IC Designer), Johannes Ocker (Leiter Modellierung und Charakterisierung), Dr. Stefan Müller (CEO), Menno Mennenga (Business Development), Marko Noack (Leiter NVM-Design), Rolf Jähne (Senior IC Designer).
Dass Hafniumoxid bei entsprechender Dotierung eine ferroelektrische Kristallphase bildet, wurde 2007 bei Qimonda entdeckt. Doch erst seit 2014 hat die Branche das Potenzial des Materials erkannt, zu sehen am rasanten Anstieg wissenschaftlicher Publikationen zum Thema.
Hafniumoxid dient seit dem 45-nm-Technologieknoten als high-k-Material im Gate-Stack von Transistoren. Mit Entdeckung der ferroelektrischen Phase wurde das Potenzial des Materials als Speicher erkannt.
Der Schreibvorgang beim FeFET beruht auf einem reinen Feldeffekt und nicht auf einem Stromfluss, wie dies bei anderen Speichervarianten der Fall ist. Dies ist der Grund für den geringen Stromverbrauch des Speicherkonzepts.
Mit der FeFET-Technologie lässt sich jeder CMOS-Logik-Transistor in eine Speicherzelle umwandeln, skalierbar bis in die untersten Technologieknoten.
Für die Herstellung der FeFET-Speicherzelle sind gerade einmal zwei zusätzliche Masken erforderlich, was die Hürde für eine Einführung der Technologie in der Massenfertigung deutlich senkt. Beim eFlash sind dagegen etwa 15 zusätzliche Masken erforderlich.
FMC sieht für seine Speichertechnologie zunächst den Mikrocontroller-Markt als einen vielversprechenden Ausgangspunkt.
Derzeit arbeitet FMC daran, Foundries beim Transistor- und Test-Chip-Design, bei der Chakterisierung und Qualifizierung zu unterstützten. Perspektivisch sieht sich FMC als Memory Solution Provider auch für Fabless-Halbleiterfirmen.
CEO Dr. Stefan Müller ist vom Potenzial der FeFET-Technologie überzeugt: "Wir möchten das ARM of Memory werden."

Bei einem FeFET ist die Polarisationsrichtung des Hafniumoxid-Materials nach einem positiven Gate-Write-Puls im Schichtaufbau nach unten gerichtet, so dass sich die Schwellspannung des Transistors verringert. Nach einem negativen Gate-Write-Puls ist die Polarisation dagegen nach oben gerichtet, die Schwellspannung wird erhöht. Zum Lesen der Speicherzelle wird eine Spannung zwischen der erwarteten unteren und oberen Schwellspannung angelegt, und es wird klar, ob der Transistor leitet (0 gespeichert) oder sperrt (1 gespeichert). Das Material behält seine jeweilige Polarisation auch dann bei, wenn keine Spannung anliegt und ist damit nicht-flüchtig. Für das Beschreiben des Speichers sind derzeit lediglich 2 bis 4 V notwendig, pro Bit liegt die notwendige Schreibenergie bei weniger als 1 fJ.  Die Schreibgeschwindigkeit liegt aktuell bei 10 ns, wobei das Material das Potenzial zeigt, die Schreibgeschwindigkeit auf unter 1 ns zu senken.

Design-Unterstützung

FMC unterstützt Halbleiter-Foundries beim Transistor- und Test-Chip-Design, der elektrischen Charakterisierung, der Qualifizierung der Speicher-Arrays und mit Technologie-Lizenzen. Zusammen mit seinen Foundry-Partnern bietet FMC eNVM-Makros für Fabless-IC-Design-Unternehmen, inklusive Dokumentation, Simulationsmodellen und Designdaten, die für die effiziente Integration in die Ziel-Designs notwendig sind. Darüber hinaus entwickelt und qualifiziert das Unternehmen Speicherlösungen, die hinsichtlich Funktionalität, Dichte, Formfaktor, Geschwindigkeit und Energieverbrauch auf kundenspezifische Anforderungen zugeschnitten sind.

 

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