新一代鐵電存儲器的發展勢頭正在形成

2020-11-21 電子發燒友

新一代鐵電存儲器的發展勢頭正在形成

半導體行業觀察 發表於 2020-11-20 15:59:48

MVentures和imec.xpand以及韓國存儲器製造商SK Hynix，Robert Bosch Venture Capital和TEL Venture Capital等企業和投資機構領導了對位於德勒斯登的Ferroelectric Memory的B系列投資，現有投資者eCapital也參與了本輪融資。

Ferroelectric Memory GmbH公司執行長Ali Pourkeramati表示，這筆資金將用於促進鐵電存儲器在三個領域的部署：嵌入式非易失性存儲器、存儲類存儲器和存內計算應用程式。FMC計劃擴大在德勒斯登的市場，並擴大其在美國和亞洲的國際業務。

「我們已經為所有應用創建了IP，」 Pourkeramati告訴eeNews Europe。「我們正在與客戶進行討論。」

Pourkeramati表示，在嵌入式應用中，FeFET可以替代嵌入式快閃記憶體和MRAM（最小至7nm）。「我們也可以使用納米線，因為該存儲器基於氧化鉿（hafnium oxide）。」

FMC的FeFET利用氧化鉿的鐵電特性（通常在CMOS中作為絕緣體進行部署）將標準CMOS電晶體轉換為存儲單元。它們還可以根據摩爾定律進行縮放，同時具有低功耗和溫度穩定性的特點。與磁性RAM相比，這還提供了不需要在工廠中使用其他材料的優勢。除了這些特性，FeFET還具有抗磁性和高抗輻射性。

該公司表示，其鐵電非易失性存儲器將用作物聯網應用中的微控制器的片上存儲器，這些微控制器用於從消費類產品到汽車和航空等整個行業領域。

他們指出，現有的非易失性存儲器快閃記憶體實現起來很複雜，並且預計不會擴展到最先進的過程。相比之下，FMC的存儲技術直接源自標準CMOS技術，並且在不佔用許多額外掩模的情況下具有區域高效性。

該公司之前曾表示，我其非易失性存儲技術以快1，000倍的速度和千分之一的功耗的特性，滿足行業當前和未來需求，同時大大降低了製造成本。

FMC與德勒斯登的Globalfoundries合作，生產其早期的存儲陣列和原型。公司的製造工藝通常採用40nm CMOS。Pourkeramati說。他進一步指出，FMC現在也在與亞洲多個晶圓代工合作，但拒絕透露公司名稱。Pourkeramati說，亞洲的一家晶圓代工廠對提供FeFET作為嵌入式存儲器選項的可能性特別感興趣。「我們可以使用AI，CPU，GPU和移動應用處理器。」

FMC計劃採用分層的智慧財產權方法推向市場。這將包括過程IP，設備IP和設計IP。

該路線圖將於2023年首次面向消費類應用在28nm平面CMOS上使用FeFET存儲器，隨後是物聯網和工業應用，然後是汽車應用。

Pourkeramati說，他對那些對FeFET技術的潛在影響有明顯興趣的投資者的戰略性質感到滿意。MVentures是性能材料公司默克（Merck）的風險投資部門。SK Hynix是存儲器組件的領先供應商，TEL Ventures是東京電子有限公司的風險投資部門，東京電子有限公司是最大的半導體製造設備供應商之一。

延伸閱讀：FeFET將改變下一代存儲格局？

在所熟知的材料之中，鐵電柵場效應電晶體（Ferroelectric gate field-effect transistors， FeFETs）做新一代快閃記憶體是很有前途的。

新一代鐵電存儲器的發展勢頭正在形成，這將改變下一代存儲格局。

通常，鐵電體與一種存儲器類型——鐵電存儲器ferroelectric RAMs （FRAMs） 有關。20世紀90年代後期，由幾家供應商推出的FRAM是低功耗、非易失性設備，但它們也僅限於小眾應用，無法在130納米以上擴展。

FRAM繼續生產的同時，業界也在開發另一種類型的鐵電存儲器。FeFET及其相關技術沒有使用傳統FRAM使用的材料，而是利用氧化鉿（也稱為鐵電鉿氧化物）的鐵電特性。（FeFET和邏輯電晶體FinFET不同）。

不過，就研發階段而論，FeFET本身並不是一個新器件。對於FeFET，其主要原理是在現有的邏輯電晶體上採用基於氧化鉿基的High-K（高K）柵電介質+Metal Gate（金屬柵）電極疊層技術，然後將柵極絕緣體改性成具有鐵電性質。得到的FeFET電晶體具有相同的結構，但是具有可擴展、低功率和非易失性等特性。從理論上講，應該比當前的嵌入式快閃記憶體更好。

FRAM被廣泛誤解，因為鐵電材料不是鐵磁性的。FMC公司的Müller解釋說：「鐵電存儲器僅使用電場來寫入應用程式，沒有電流流過。所有其他新出現的存儲器，如電阻式RAM、相變存儲器和MRAM都是通過驅動存儲器單元的電流來寫入的。

FRAM利用鐵電晶體的鐵電效應實現數據存儲。鐵電效應是指在鐵電晶體上施加一定的電場時，晶體中心原子在電場的作用下運動，並達到一種穩定狀態；當電場從晶體移走後，中心原子會保持在原來的位置。這是由於晶體的中間層是一個高能階，中心原子在沒有獲得外部能量時不能越過高能階到達另一穩定位置，因此FRAM保持數據不需要電壓，也不需要像DRAM一樣周期性刷新。由於鐵電效應是鐵電晶體所固有的一種偏振極化特性，與電磁作用無關，所以FRAM存儲器的內容不會受到外界條件（諸如磁場因素）的影響，能夠同普通ROM存儲器一樣使用，具有非易失性的存儲特性和無限的耐用性，非常適合各種嵌入式晶片應用。

通常，FRAM由基於鋯鈦酸鉛（PZT）的薄層鐵電薄膜組成。Cypress說，PZT中的原子在電場中改變極性，從而形成功率高效的二進位開關。

然而，FRAM有一些問題。穆勒說：「經典的FRAM從材料的角度來看是異乎尋常的。由於只有平面電容器可以使用，傳統的鐵電薄膜不可擴展，FRAM還沒有超出130納米技術節點。這阻止了傳統FRAM被廣泛採用。」

由於FeFET與傳統FRAM不同，支持者希望解決這些問題。幾年前，這個行業偶然有了一個新的發現，即氧化鉿中的鐵電性質。研究人員發現，在摻雜氧化鉿的過程中，晶相可以穩定。FMC公司稱：「在這個晶相中，氧化鉿的氧原子可以存在於兩個穩定的位置，根據外加電場的極性向上或向下移動。」

氧化鉿是一種廣為人知的材料。一段時間以來，晶片製造商已經使用氧化鉿作為28nm及以上邏輯器件中的高k /金屬柵極結構的柵極堆疊材料。對於FeFET，主要是利用鐵電鉿氧化物的特性，而不是使用特殊材料創建新的器件結構。

例如，在FMC的技術中，最理想的是採用現有的電晶體。然後使用沉積工藝，將矽摻雜的氧化鉿材料沉積到電晶體的柵極疊層中，產生鐵電性質。FMC的方案也消除了對電容器的需求，使單電晶體存儲單元或1T-FeFET技術成為可能。

Müller說：「在FeFET中，永久偶極子形成在本身內柵介質，將鐵電電晶體的閾值電壓分成兩個穩定的狀態，因此，二進位狀態可以存儲在FeFET中，就像在快閃記憶體單元中做的一樣。」

從理論上講，該技術是令人信服的。「每個尖端電晶體都有氧化鉿。這是門電介質。如果巧妙地做到這一點，並改性氧化鉿，實際上可以將邏輯電晶體轉換為非易失性電晶體，而這種電晶體在斷開電源時會失去一個狀態。斷電後仍然可以保持狀態。」

FeFET仍處於研發階段，尚未準備好迎接黃金時代。但如果確實有效的話，消費者在下一代的快閃記憶體世界中還有另一種選擇。3D XPoint、FRAM、MRAM、ReRAM等也在備選之中。
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