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FeFETs – eine neue Ära bei nichtflüchtigen Speichern?

Die Ferroelectric Memory Company (FMC) entwickelt schnelle Speicher mit sehr kleiner Leistungsaufnahme; sie versprechen eine exzellente Skalierbarkeit von Embedded-Lösungen für Mikrocontroller und Systems-on-Chip.

Speicherhersteller sehen sich mit wachsenden Anforderungen bezüglich der Skalierbarkeit, Anzahl von Schreibzyklen und Dauer der Datenhaltung – auch unter widrigen Umgebungsbedingungen – konfrontiert. Der aktuelle Industriestandard für nichtflüchtige Speicher, die eFlash-Technologie, wird diesen Ansprüchen zwar gerecht, jedoch um den Preis immer komplexerer Fertigungsprozesse. FMC entwickelt ferroelektrische Feldeffekttransistoren (FeFETs) auf der Grundlage von ferroelektrischem kristallinen Hafniumoxid (HfO2). Das Ziel ist es, CMOS-Logik-Transistoren in effiziente nichtflüchtige Speichereinheiten umzuwandeln.

Hafniumoxid – in seiner amorphen Form – wird in Halbleiterprozessen als Gate-Isolatormaterial von CMOS-Transistoren vom 45-nm- bis zum 7-nm-Technologieknoten eingesetzt. FMC ist eigenen Angaben zufolge in der Lage, dieses amorphe in ferroelektrisches kristallines HfO2 zu überführen und somit aus jedem CMOS-Transistor einen FeFET – und damit eine nichtflüchtige Speicherzelle – zu machen.

Bei einem FeFET ist die Polarisationsrichtung des Hafniumoxids nach einem positiven Gate-Write-Puls im Schichtaufbau nach unten gerichtet, sodass die Schwellspannung des Transistors abnimmt. Nach einem negativen Gate-Write-Puls zeigt die Polarisation dagegen nach oben, die Schwellspannung steigt. Zum Lesen der Speicherzelle legt man eine Spannung zwischen der erwarteten unteren und oberen Schwellspannung an und stellt fest, ob der Transistor leitet (0 gespeichert) oder sperrt (1 gespeichert). Das Material behält seine jeweilige Polarisation auch dann bei, wenn keine Spannung anliegt.

Im Vergleich zu Speichertechnologien wie MRAM (Magneto-Resistive RAM), PCRAM (Phase-Change RAM) oder RRAM (Resitive RAM) verspricht diese Technologie drei Hauptvorteile:

  • Die FeFET-Speicher weisen eine hohe Stromtreiberfähigkeit mit sehr schnellen Lesegeschwindigkeiten auf, während das effiziente Umschalten der Speicherzellen zu schnellem Schreiben bei niedriger Leistungsaufnahme führt.
  • Sie sind ausnehmend robust gegenüber Umwelteinflüssen wie Magnetfeldern, Strahlung und Wärme.
  • FeFETs nutzen High-k-Metal-Gate-CMOS-Basistechnologien und können somit von deren Skalierbarkeit profitieren. Dabei lassen sich existierende Fertigungsanlagen verwenden – ohne zusätzliche komplexe und teure Fertigungsprozesse.

Die FMC-Speichertechnologie adressiere zukünftige Anforderungen der Industrie, betont CEO Dr. Stefan Müller: mit 1000-mal höherer Geschwindigkeit und einem Tausendstel der Leistungsaufnahme im Vergleich zum jetzigen Standard. Grundsätzlich sei die FeRAM-Speichertechnik auch für Stand-alone-ICs geeignet, jedoch konzentriere man sich zunächst auf Embedded-Speicher.

FMC kommerzialisiert seine FeFET-Technologie in Partnerschaft mit Halbleiter-Foundries. Das Dresdner Unternehmen unterstützt die Foundries beim Transistor- und Testchipdesign, der elektrischen Charakterisierung, der Qualifizierung der Speicher-Arrays und mit Technologielizenzen.Zielkunden für FMC sind Fabless-IC-Designunternehmen, die Mikrocontroller und Systemchips anbieten.

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