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一个新的记忆竞争者?

FEFET是基于良好的理解材料的承诺下一代内存。

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势头是建立一类新的铁电记忆,可以改变下一代记忆景观。

通常,铁电器与称为铁电柱塞(FRAMS)的存储器类型相关联。在20世纪90年代后期,弗拉姆斯的几家供应商推出,是低功耗,非易失性的设备,但它们也仅限于利基应​​用,并且无法扩展超过130nm。

虽然FRAMS继续发货,但该行业也一直在开发一种称为铁电FET(FEFET)的不同内存类型。代替使用传统的FRAM材料,FEFET和相关技术利用氧化铪中的铁电特性,有时称为铁电氧化铪。(FEFET不同于称为FINFET的逻辑晶体管类型)。

FeFET本身还处于研发阶段,并不是一种新设备。对于fefet,其想法是利用现有的基于氧化铪的高k/金属栅极堆栈逻辑晶体管,然后用铁电特性修改栅极绝缘体。最终的结构是相同的晶体管,具有低功耗和非易失性的可扩展嵌入式FeFET存储器。从理论上讲,它的性能应该会超过今天的嵌入式闪速记忆。


图1:如何制作FeFET。来源:铁电存储器公司。

其他人正在使用不同类型的FEFET的非易失性设备。这听起来像是一个简单的概念,但有几个挑战,例如集成问题,数据保留,可靠性和成本。前瞻性见解的分析师Greg Wong表示,“(FEFET是)很有希望,但它仍然很早。”

还有其他挑战。铁电存储器公司(Ferroelectric memory Co., FMC)首席执行官Stefan Müller表示:“对于一种新兴的存储技术来说,最困难的部分是让客户相信你的解决方案是真实的。”

尽管如此,FeFETs和相关技术仍在不断发展。以下是该领域的最新进展:

•GlobalFoundries、FMC、NaMLab、Fraunhofer等公司通过在22nm FD-SOI工艺中演示嵌入式、非挥发性FeFET,达到了一个重要的里程碑。这项技术预计将在2019年获得认证,但目前还没有投产的时间表。
•IMEC正在开发一种能够用铁电铪氧化物取代电流DRAM材料的方案,从而创造了一类新的非易失性DRAM样记忆。此外,IMEC还在开发一种类似于3D NAND的堆叠铁电器件。
•SK Hynix,林研究所Versum和其他人最近发表了一篇关于这种设备的开关机制的论文,该小组将其称为1T-FeRAM和3D FeNAND。
•越来越多的组是用于下一代逻辑晶体管型的铁电铪氧化物,通常称为负电容场效应晶体管(NC-FET)。NC-FET是3nm及更远的潜在晶体管候选者。

3D Fenand,铁电DRAM和NC-FET仍然处于研发的早期阶段,如果这些技术将使它纳入生产,它就会太快。大型证明地面是由GlobalFoundries,FMC等开发的FEFET。

如果它苍蝇,FEFET在下一代内存市场中加入拥挤的领域。其他新内存类型,如3d xpoint,磁阻RAM.,ReRAM甚至是传统的FRAM,都是发货。潜在的,费用将与一些但不是所有这些技术竞争。

下一代记忆竞赛
多年来,该行业一直在开发下一代记忆类型,充分理性 - 传统的回忆有各种各样的局限性。

例如,动态随机存取记忆体,它被用作系统中的主要内存,快速且便宜。但DRAM是不稳定的。当电源在系统中关闭时,它会失去数据。

与非也闪光记忆也便宜。闪光灯是非易失性的,即使电源关闭也可以存储数据。但是,在操作中,Flash经历了几个读/写周期,这是一个缓慢的过程。

这就是新记忆适合的地方。一般来说,下一代内存类型是快速、非易失性和提供无限的持久性。它们还提供可更改位、无擦除功能,使它们成为DRAM和闪存的潜在理想替代品。但是这些新的记忆也依赖于奇异的材料和复杂的开关机制,所以它们需要更长的时间来发展。与此同时,该行业还在继续扩大DRAM和闪存的规模,这使得新型内存很难在市场上站稳脚跟。

尽管如此,该行业已经开始增加一些新的存储类型。以下是对景观的简单解释:

英特尔以及美光科技(Micron)都在加快3D XPoint技术的开发,这是一种基于相变存储器的下一代技术。3D XPoint是一个独立的设备,用于加速固态硬盘(SSD)中的操作。
•Everspin和其他公司正在开发下一代MRAM技术,称为自旋转移扭矩磁阻RAM (STT-MRAM)。用于嵌入式或独立应用,STT-MRAM利用电子自旋磁性提供芯片的非挥发性特性。
•多个供应商和铸造厂正在为独立和嵌入式应用开发电阻RAM(RERAM)。在RERAM中,将电压施加到材料堆叠,从而在记录存储器中记录数据的电阻变化。
•赛普拉斯,富士通,松下,TI等是带嵌入式垃圾的运输微控制器(MCU)。


图2:自旋扭矩MRAM技术。来源:everspin.


图3:行动中的ReRAM。来源:Adesto

框架被广泛误解,因为铁电材料不是铁磁性的。“[铁电记忆]使用电场写入申请,没有电流,”FMC的Müller解释说。“所有其他新兴的记忆概念,相同的电阻RAM,相变存储器和MRAM通过存储单元驱动电流来所有写入。”

FRAM基于一个(一个晶体管,一个电容(1T-1C)存储单元设计。利用铁电电容存储数据,FRAM是一种低功耗、非易失性存储器,具有无限的持久性,使其成为各种嵌入式芯片应用的理想选择。

通常,基于锆钛酸铅(PZT)的薄铁电膜组成。“PZT中的原子在电场中改变极性,从而产生功率有效的二进制开关,”根据赛普拉斯表示。


图4:传统的FRAM。资料来源:赛普拉斯

然而,框架有一些问题。“古典素材来自材料的异国情调的角度,”Müller说。“由于只能使用平面电容器并且传统的铁电薄膜不可扩展,因此FRAM没有缩小超过130nm技术节点。这阻止了广泛采用的传统素材。“

FeFET不同于传统的FRAM,支持者希望通过它来解决这些问题。几年前,工业界偶然发现了一个新发现,即氧化铪的铁电性质。研究人员发现,在掺杂氧化铪的过程中可以稳定一种晶体相。FMC称:“在晶体相内,氧化铪的氧原子可以处于两个稳定的位置,根据外部施加电场的极性上下移动。”

氧化铪是一种众所周知的材料。一段时间以来,芯片制造商在28nm及以上的逻辑器件中使用氧化铪作为高k/金属栅结构的栅堆材料。对于fefet,其想法是利用铁电氧化铪的特性,而不是使用奇异材料创建一个新的器件结构。

例如,在FMC的技术中,理想的方法是使用现有的晶体管。然后,使用沉积过程,将掺杂硅的氧化铪材料沉积到晶体管的栅极堆栈中,产生铁电特性。FMC的方案还消除了对电容的需求,实现了单晶体管存储单元或1T-FeFET技术。

Müller说:“在feet中,一个永久性的偶极子在栅极介电体内部形成,将铁电晶体管的阈值电压分裂为两种稳定状态。”“因此,二进制状态可以存储在FeFETs中,就像在闪存单元中一样。”


图5:FeFET (n型函数)。当铁电极化点向下(左)时,电子反转沟道区域,永久地使FeFET进入“on”状态。如果极化指向上(中间),就会产生永久积累,FeFET处于“关”状态。来源:融合。

理论上,这项技术是引人注目的。“每一个尖端晶体管中都含有氧化铪。这是门电介质,”他说。“如果你聪明地改变氧化铪,你就可以把你的逻辑晶体管转变成一个非易失性晶体管,当你去掉电源时它就会失去一个状态。当权力被剥夺时,它仍处于状态。”

FEFET仍在研发中,而不是准备好粉末时间。但如果它确实有效,客户将在下一代记忆世界中拥有另一种选择。3D Xpoint,Fram,MRAM,Reram等也在舞台上。

那么,哪种新的存储技术会占上风呢?这并不完全清楚,因为没有一块内存可以处理所有需求。每种新的内存类型都有自己的位置。新的存储类型正在从传统的存储中拿走一些插槽。但总的来说,传统的DRAM和NAND仍然占据着存储器的主导地位。


图6:内存层次结构


嵌入式记忆战争

在记忆空间中,新兴的战斗正在嵌入式市场进行。今天的MCU在同一芯片上集成了多个组件,例如CPU,SRAM和嵌入式内存。CPU执行指令。SRAM集成在芯片上以存储数据。

嵌入式内存(例如EEPROM和NOR FLASH)用于代码存储和其他功能。“通过EEPROM,每个位是两个晶体管。并且每个字节都可以删除或重新编程,“客观分析的分析师Jim Smally表示,在最近的一次面试中。“在每个街区(使用或闪存),我们有一个巨大的晶体管,可以为块上的所有位进行擦除。与每位的两个晶体管相比,巨大的晶体管仍然节省了很多芯片空间。“

嵌入式闪存(EFLASH)是强大的,使其成为工业应用的理想选择。例如,汽车OEM具有严格的要求,也不适合账单。“性能驱动的汽车MCU是EFLASH后面的驱动力,”美国销售总裁Walter Ng说联华电子

随着写入速度慢,也没有一些限制。在从40nm移动到28nm时,也不会变得越来越贵。它是不明确的,如果也不能超过28nm。

下一代记忆的供应商希望填补空白。“新兴公羊似乎提供了一种可能的解决方案,”Ng说。“然而,仍有待这些技术如何被汽车群体接收。”

无论如何,嵌入式内存市场正在加热。几个铸造件 - 例如GlobalFoundries,三星,TSMC和UMC正在开发嵌入式STT-MRAM。此外,SMIC,TSMC和UMC正在开发嵌入式纪念日。

FeFET是新来的。2009年,Fraunhofer、GlobalFoundries和NaMLab开始探索FeFETs。后来,FMC脱离了NaMLab。

2014年,本集团基于28nm CMOS过程展示了一个简单的FEFET阵列。然后,在最近的IEDM会议上,GlobalFoundries,弗劳恩霍夫,Namlab和FMC提出了新的结果,使FFET迈向商业化的一步。

该小组在22nm FD-SOI工艺中演示了嵌入式FeFET。“这是一种获取密度非常高的存储器的成本非常低的方法,”美泰首席技术官加里•巴顿(Gary Patton)表示GlobalFoundries

根据IEDM纸的FEFET具有小于0.025μm的电池尺寸。该设备由32Mbit阵列组成,10NS范围内的程序/擦除脉冲为4.2伏。它的温度保持率高达300°C。

最初,FFFET针对消费者应用的嵌入式非易失性记忆市场。“写入(比传统的EFLASH)更快地左右两个数量级。我们在10ns的政权中写下,其中Flash在1毫秒到10ms政权,“FMC的Müller说。

这项技术很有前景。“他们比其他人走得更远,”Jan Van Houdt说,他是麻省理工学院技术人员中的杰出成员Imec。他说:“他们马上就会采取嵌入式方案。这很可能行得通。”

FeFETs在汽车嵌入式存储空间面临着一场艰难的战斗,因为汽车嵌入式存储空间的温度要求更为严格。不过,汽车厂商确实在关注STT-MRAM,因为该技术可以承受更高的温度。

接下来是什么?
为其部分,IMEC正在两个前面开发铁电技术。人们涉及一种新型的非易失性DRAM样设备,而另一个是类似于3D NAND的独立存储设备。

DRAM基于1T1C细胞结构。在操作中,当晶体管关闭时电容器中的电荷将泄漏或放电。因此,必须每64毫秒刷新电容器,反过来,这反过来又消耗了系统的电力。

在DRAM的垂直电容结构中,有一个金属-绝缘体-金属(MIM)材料堆栈。在MIM堆栈中,一个高k材料夹在两个二氧化锆层之间。这有时被称为ZAZ电容器。

IMEC和其他人正在探索在DRAM中用铁电氧化铁氧化铁氧化铁替换二氧化锆材料的想法。其铁电状态的氧化铪类似于二氧化锆。

利用这项技术,Imec正在开发一种铁电类dram器件,具有非挥发性特性,不需要刷新操作。

当然,挑战是存在的。对于每个节点上的DRAM来说,伸缩垂直1T1C电容是困难的。对于铁电类dram器件,这不会改变,因为该器件也配置了1T1C电池。


图7:DRAM路线图来源:IMEC

另一种可能性是工业界可以开发一种具有非易失性特性的单晶体管(1T) dram类器件。这是一种无电容铁电类dram器件。
但即使与铁电铪,铁电基的DRAM也面临着一些挑战。“问题是它具有一些耐用的限制。DRAM几乎没有无限的耐力。使用铁电器,必须被证明,“IMEC的Van Houdt说。

IMEC还在追求一种类似于3D NAND的铁电器件技术。使用基于3D NAND的制造流构建的技术有时称为3D FenAnd。

“它是低电压和非易失性。功耗低得多。它会更快,因为它是一个高k材料。因此,您的晶体管将驾驶比NAND更大的电流,“Van Houdt说。

问题?“这是一个NAND更换。但是,当然,取代NAND几乎是不可能的,“他说。

因此,如果它真的飞起来了,那么这个设备就可以放在存储类内存层次结构的某个地方。但是这项技术要进入商业市场还需要5到10年的时间。

还有其他问题。例如,在IEDM的一篇论文中,SK Hynix, Lam和其他人发现铁电氧化铪材料的实际开关速度比预期的要慢,这是由于外部无序造成的。

SK Hynix,Lam等发现一种方法来控制硅掺杂氧化铪的晶粒尺寸,从而提高了材料速度的速度。“我们成功地证明了Si:HFO2由受控纳米粒组成,具有EC〜0.5mV / cm的Fe特性,这是普通Si:HFO2的一半,域切换速度比其更快地达到〜3倍普通晶粒大小Si:HFO2,“根据纸张。

NC-FETs是什么?
铁电氧化铪还有其他应用。一段时间,UC Berkeley.其他人继续追求NC-FET,一个针对3nm或更远的下一代逻辑晶体管。

和FeFET一样,NC-FET并不是一种新器件。在NC-FET中,现有晶体管的栅极堆叠是用铁电氧化铪修饰的。与FeFET相比,NC-FET的薄膜厚度略有不同。

“这就是为什么有如此强烈的兴趣,”Mike Chudzik说,他是晶体管和互连组的高级主管应用材料。“这是一种简单的铁电介质交换。我会把它放在隧道场效应管旁边。”

NC-FET是用于低功耗应用的陡峭子阈值斜率装置。它将使用隧道FET(TFET)进行更多竞争,该低功率晶体管类型为3nm及更远。

“本质上,铁电体就像一个电压放大器。给它加一个电压。因为它相互作用的方式,放大了电压。这就是为什么你会得到这个增强的阈下斜率,”Chudzik说。

通过该技术,UC Berkeley正在探索将今天的FinFET和FD-SOI技术扩展到2nm的想法。UC Berkeley是指其技术为NC-FinFET和NC-FD-SOI的技术。

可以肯定的是,NC-FET仍处于早期阶段。Chudzik说:“它有很多前景和兴趣,但也有很多未解之谜。”

然而,在短期内,FEFET是从有前途的材料集中出现的第一种技术。反过来,这可能会在竞技场中掀起一波R&D。或者,与其他技术一样,它可以简单地落在路边。

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1评论

Santosh Kurinec 说:

不错的文章。我的团队也在研究FeFETs。

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