新一代鐵電存儲器的發(fā)展勢頭正在形成，這是否將改變下一代存儲格局？

在所熟知的材料之中，鐵電柵場(chǎng)效應晶體管(Ferroelectric gate field-effect transistors, FeFETs)做新一代閃存是很有前途的。

通常，鐵電體與一種存儲器類(lèi)型——鐵電存儲器ferroelectric RAMs (FRAMs) 有關(guān)。 20世紀90年代后期，由幾家供應商推出的FRAM是低功耗、非易失性設備，但它們也于小眾應用，無(wú)法在130納米以上擴展。

FRAM繼續生產(chǎn)的同時(shí)，業(yè)界也在開(kāi)發(fā)另一種類(lèi)型的鐵電存儲器。 FeFET及其相關(guān)技術(shù)沒(méi)有使用傳統FRAM使用的材料，而是利用氧化鉿（也稱(chēng)為鐵電鉿氧化物）的鐵電特性。（FeFET和邏輯晶體管FinFET不同）。

不過(guò)，就研發(fā)階段而論，FeFET本身并不是一個(gè)新器件。對于FeFET，其主要原理是在現有的邏輯晶體管上采用基于氧化鉿基的High-K(高K)柵電介質(zhì)+Metal Gate(金屬柵)電極疊層技術(shù)，然后將柵極絕緣體改性成具有鐵電性質(zhì)。得到的FeFET晶體管具有相同的結構，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閃存更好。

圖1：FeFET制作流程。 來(lái)源：Ferroelectric Memory Co.

很多研究者正在研究不同類(lèi)型的基于FeFET的非易失性器件。這聽(tīng)起來(lái)是一個(gè)簡(jiǎn)單的概念，但是有幾個(gè)關(guān)鍵挑戰，比如集成、數據保存、可靠性和成本等問(wèn)題。 Forward Insights的分析師Greg Wong說(shuō)：“FeFETs是很有前景，但目前為時(shí)尚早。”

當然還有其他的挑戰。Ferroelectric Memory Co.（FMC）公司正在開(kāi)發(fā)FeFET，其執行官StefanMüller表示：“對于新興的存儲器技術(shù)，難的部分是要客戶(hù)確信你的解決方案真實(shí)可靠。”

盡管如此，FeFET及其相關(guān)技術(shù)正在蒸蒸日上，以下是其the most recent進(jìn)展：

•GlobalFoundries，FMC，NaMLab，Fraunhofer等已經(jīng)在22納米FD-SOI工藝中演示了一種嵌入式非易失性FeFET，取得了一個(gè)重要里程碑。 雖然沒(méi)有生產(chǎn)時(shí)間表，但該技術(shù)將在2019年獲得認證。

•Imec正在開(kāi)發(fā)一種方案，用鐵電鉿氧化物取代目前的DRAM材料，創(chuàng )造出一類(lèi)新的非易失性DRAM類(lèi)存儲器。 此外，Imec也正在開(kāi)發(fā)類(lèi)似于3D NAND的堆疊式鐵電器件。

•SK Hynix，Lam Research，Versum等近發(fā)表了一篇關(guān)于這類(lèi)器件的開(kāi)關(guān)機制的論文，其中一個(gè)小組稱(chēng)之為1T-FeRAM和一個(gè)3D FeNAND。

•越來(lái)越多的團隊正在探索下一代基于鐵電鉿氧化物的邏輯晶體管類(lèi)型，通常被稱(chēng)為負電容場(chǎng)效應晶體管（NC-FET）。 NC-FET是3nm及以上晶體管的潛在技術(shù)。

3D FeNAND，鐵電DRAM和NC-FET還處于研發(fā)的早期階段，這些技術(shù)是否能夠投入生產(chǎn)還言之過(guò)早。 GlobalFoundries，FMC等企業(yè)是開(kāi)發(fā)的FeFET的大試驗場(chǎng)。

如果它成功了，FeFET將進(jìn)入下一代內存市場(chǎng)這個(gè)擁擠的領(lǐng)域。而其他新的存儲器類(lèi)型，如3D XPoint、Magnetoresistive RAM、ReRAM甚至傳統的FRAM都正在出貨中。很大程度上，FeFET將與這些技術(shù)中的某些類(lèi)型展開(kāi)競爭。

下一代內存競賽

多年來(lái)業(yè)界一直在開(kāi)發(fā)下一代內存類(lèi)型，理由很簡(jiǎn)單：傳統的內存有各種各樣的限制。

例如，用作系統主存儲器的DRAM快速便宜，但DRAM在系統關(guān)閉電源時(shí)會(huì )丟失數據。

NAND和NOR閃存也很便宜。 Flash是非易失性的，即使在電源關(guān)閉的情況下也可以存儲數據。但是，在操作中，閃存會(huì )經(jīng)歷幾個(gè)讀/寫(xiě)周期，這是一個(gè)緩慢的過(guò)程。

這正是新閃存適用的地方。一般來(lái)說(shuō)，下一代存儲器類(lèi)型是快速的、非易失性的并可以提供無(wú)限的續航能力。它們還提供可變位、無(wú)擦除的功能，使其成為DRAM和閃存的理想替代品。但是這些新的記憶也依賴(lài)于異域材料和復雜的轉換機制，所以他們需要花費更長(cháng)的時(shí)間來(lái)開(kāi)發(fā)。與此同時(shí)，行業(yè)不斷擴大DRAM和閃存規模，使得新的存儲器類(lèi)型難以在市場(chǎng)上站穩腳跟。

不過(guò)，行業(yè)內一些新類(lèi)型的內存正在開(kāi)始增加。這里有一個(gè)簡(jiǎn)單的圖景：

•英特爾和美光正在推出基于相變存儲器的下一代3D XPoint技術(shù)。3D XPoint是一個(gè)獨立的器件，用于加速固態(tài)硬盤(pán)（SSD）的操作。

•Everspin和其他公司正在開(kāi)發(fā)自旋轉矩磁阻RAM（STT-MRAM）的下一代MRAM技術(shù)。 STT-MRAM用于嵌入式或獨立應用，利用電子自旋產(chǎn)生的磁性在芯片中提供非易失性。

•幾家供應商和代工廠(chǎng)正在為獨立的嵌入式應用開(kāi)發(fā)電阻式RAM（ReRAM）。 在ReRAM中，將電壓施加到材料疊層上，從而記錄電阻變化產(chǎn)生的數據。

•賽普拉斯，富士通，松下，德州儀器和其他公司正在推出帶嵌入式FRAM的微控制器（MCU）。

圖2：自旋扭矩MRAM技術(shù)。 來(lái)源：Everspin

圖3：ReRAM。 來(lái)源：Adesto

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(shuō)：“鐵電存儲器僅使用電場(chǎng)來(lái)寫(xiě)入應用程序，沒(méi)有電流流過(guò)。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(guò)驅動(dòng)存儲器單元的電流來(lái)寫(xiě)入的。

FRAM利用鐵電晶體的鐵電效應實(shí)現數據存儲。鐵電效應是指在鐵電晶體上施加一定的電場(chǎng)時(shí)，晶體中心原子在電場(chǎng)的作用下運動(dòng)，并達到一種穩定狀態(tài)；當電場(chǎng)從晶體移走后，中心原子會(huì )保持在原來(lái)的位置。這是由于晶體的中間層是一個(gè)高能階，中心原子在沒(méi)有獲得外部能量時(shí)不能越過(guò)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。由于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(wú)關(guān)，所以FRAM存儲器的內容不會(huì )受到外界條件（諸如磁場(chǎng)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(wú)限的耐用性，非常適合各種嵌入式芯片應用。

通常，FRAM由基于鋯鈦酸鉛（PZT）的薄層鐵電薄膜組成。 Cypress說(shuō)，PZT中的原子在電場(chǎng)中改變極性，從而形成功率的二進(jìn)制開(kāi)關(guān)。

圖4：傳統的FRAM 來(lái)源：Cypress

然而，FRAM有一些問(wèn)題。穆勒說(shuō)：“經(jīng)典的FRAM從材料的角度來(lái)看是異乎尋常的。由于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(méi)有超出130納米技術(shù)節點(diǎn)。這阻止了傳統FRAM被廣泛采用。”

由于FeFET與傳統FRAM不同，支持者希望解決這些問(wèn)題。 幾年前，這個(gè)行業(yè)偶然有了一個(gè)新的發(fā)現，即氧化鉿中的鐵電性質(zhì)。 研究人員發(fā)現，在摻雜氧化鉿的過(guò)程中，晶相可以穩定。 FMC公司稱(chēng)：“在這個(gè)晶相中，氧化鉿的氧原子可以存在于兩個(gè)穩定的位置，根據外加電場(chǎng)的極性向上或向下移動(dòng)。”

氧化鉿是一種廣為人知的材料。 一段時(shí)間以來(lái)，芯片制造商已經(jīng)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。 對于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(chuàng )建新的器件結構。

例如，在FMC的技術(shù)中，The ideal的是采用現有的晶體管。然后使用沉積工藝，將硅摻雜的氧化鉿材料沉積到晶體管的柵極疊層中，產(chǎn)生鐵電性質(zhì)。 FMC的方案也消除了對電容器的需求，使單晶體管存儲單元或1T-FeFET技術(shù)成為可能。

Müller說(shuō)：“在FeFET中，permanent偶極子形成在本身內柵介質(zhì)，將鐵電晶體管的閾值電壓分成兩個(gè)穩定的狀態(tài)，因此，二進(jìn)制狀態(tài)可以存儲在FeFET中，就像在閃存單元中做的一樣。”

圖5：FeFET（n型）： 當鐵電極化向下（左）時(shí)，電子反轉溝道區域，permanently 使FeFET進(jìn)入“導通”狀態(tài)。 如果極化點(diǎn)朝上（中間），則permanently積累，并且FeFET處于“關(guān)”狀態(tài)。 來(lái)源：FMC。

從理論上講，該技術(shù)是令人信服的。“每個(gè)晶體管都有氧化鉿。這是門(mén)電介質(zhì)。如果巧妙地做到這一點(diǎn)，并改性氧化鉿，實(shí)際上可以將邏輯晶體管轉換為非易失性晶體管，而這種晶體管在斷開(kāi)電源時(shí)會(huì )失去一個(gè)狀態(tài)。斷電后仍然可以保持狀態(tài)。”

FeFET仍處于研發(fā)階段，尚未準備好迎接黃金時(shí)代。 但如果確實(shí)有效的話(huà)，消費者在下一代的閃存世界中還有另一種選擇。 3D XPoint、FRAM、MRAM、ReRAM等也在備選之中。

那么，哪種新的內存技術(shù)會(huì )占上風(fēng)呢？ 這并不清楚，因為沒(méi)有一個(gè)內存可以處理所有的要求。 每個(gè)新的內存類(lèi)型都有它的特點(diǎn)。 新型存儲器正在從傳統的存儲器中蠶食一些市場(chǎng)。但總的來(lái)說(shuō)，傳統的DRAM和NAND繼續在存儲器層次上占主導地位。

圖6：內存金字塔 來(lái)源：Imec

嵌入式內存戰爭

在儲存空間方面，新興戰場(chǎng)正在嵌入式市場(chǎng)形成。如今的MCU在同一芯片上集成了多個(gè)組件，如CPU、SRAM和嵌入式存儲器。 CPU負責執行指令。芯片上集成了SRAM以存儲數據。

嵌入式存儲器（如EEPROM和NOR閃存）用于代碼存儲和其他功能。Objective Analysis分析師Jim Handy在近的一次采訪(fǎng)中表示：“用EEPROM，每一個(gè)字節都是兩個(gè)晶體管。每個(gè)字節都可以被擦除或重新編程。在每個(gè)模塊上（NOR閃存），我們有一個(gè)巨大的晶體管對所有字節進(jìn)行擦除。與每字節兩個(gè)晶體管相比，巨大的晶體管仍然可以節省大量的芯片空間。”

嵌入式閃存（eFlash）功能強大，非常適合工業(yè)應用。 例如，汽車(chē)原始設備制造商有嚴格的要求，而NOR也符合這個(gè)要求。 聯(lián)華電子美國銷(xiāo)售副總裁Walter Ng表示：“汽車(chē)MCU是受性能驅動(dòng)的，這也是eFlash的推動(dòng)力。

NOR有一些限制，因為寫(xiě)入速度很慢。 NOR從40nm移動(dòng)到28nm也變得越來(lái)越昂貴。目前還不清楚NOR能否擴展到28nm以上。

下一代閃存的供應商希望*。新興的RAM似乎提供了一個(gè)可能的解決方案。但是，汽車(chē)界如何接受這樣的技術(shù)還有待觀(guān)察。”

不管怎樣，嵌入式內存市場(chǎng)正在升溫。幾家代工廠(chǎng)如GlobalFoundries，三星，臺積電和聯(lián)電正在開(kāi)發(fā)嵌入式STT-MRAM。 另外，中芯，臺積電和聯(lián)電也正在開(kāi)發(fā)嵌入式ReRAM。

FeFET是這個(gè)領(lǐng)域的新產(chǎn)物。 2009年，Fraunhofer，GlobalFoundries和NaMLab開(kāi)始探索FeFET。 后來(lái)，FMC從NaMLab中獨立出來(lái)。

2014年，該小組展示了一個(gè)基于28nm CMOS工藝的簡(jiǎn)單FeFET陣列。 然后，在近的IEDM會(huì )議上，GlobalFoundries，Fraunhofer，NaMLab和FMC提出了新的結果，使FeFET更接近商業(yè)化。

該小組在22納米FD-SOI工藝中展示了嵌入式FeFET。 GlobalFoundries技術(shù)官Gary Patton表示：“制造非常密集內存的方法相對成本較低。”

根據IEDM論文，FeFET的單元尺寸小到0.025μm²。 該器件由一個(gè)32MB的陣列組成，其編程/擦除脈沖在4.2V的10ns范圍內。 它具有高達300°C的保溫率。

初，FeFET的目標是針對消費類(lèi)應用的嵌入式非易失性存儲器市場(chǎng)。“寫(xiě)入速度比傳統的eFlash要快兩個(gè)數量級左右。 我們在10ns，regime在1ms至10ms。”FMC的穆勒說(shuō)。

技術(shù)是有可能實(shí)現的。 Imec杰出的技術(shù)人員Jan Van Houdt說(shuō)：“他們比其他人走得更遠。 他們現在就推進(jìn)者嵌入式方案，這可能會(huì )起作用。”

在溫度要求更嚴格的汽車(chē)嵌入式存儲器領(lǐng)域，FeFET面臨著(zhù)艱難的競爭。汽車(chē)OEM廠(chǎng)商確實(shí)正在研究STT-MRAM，因為該技術(shù)可以承受更高的溫度。

接下來(lái)呢？

就其本身而言, Imec 正在兩條方向上發(fā)展鐵電技術(shù)。一個(gè)包含一種新型的非易失性的類(lèi)似 DRAM, 而另一個(gè)是獨立的存儲設備, 類(lèi)似于3D NAND。

DRAM 是基于1T1C 的細胞結構。在操作中, 當晶體管關(guān)閉時(shí), 電容器中的電荷會(huì )泄漏或放電。因此, 電容器必須每64毫秒刷新一次, 即使這會(huì )消耗系統中的電能。

在 DRAM 的垂直電容器結構中, 有一個(gè)金屬-絕緣體-金屬的材料堆棧（metal-insulator-metal ：MIM）。在 MIM 堆棧中, 高K材料夾在兩個(gè)二氧化鋯層之間，所以這種電容器有時(shí)也被稱(chēng)為 ZAZ 電容器。

Imec 和其他機構都在探索把DRAM 中的二氧化鋯材料用鐵電氧化鉿代替，因為氧化鉿在鐵電狀態(tài)下類(lèi)似于二氧化鋯。

利用以上技術(shù), Imec 正在研發(fā)具有非易失性的鐵電類(lèi)似 DRAM 裝置, 它不需要進(jìn)行刷新操作。

當然過(guò)程中不乏挑戰。對于DRAM，在任一節點(diǎn)上縮放垂直1T1C 電容器都很難。垂直1T1C 電容器的縮放在每個(gè)節點(diǎn)上都很難進(jìn)行。 因為鐵電類(lèi)似 DRAM 裝置也具有1T1C 細胞結構，所以這個(gè)操作不會(huì )變得簡(jiǎn)單。

圖7： DRAM 路線(xiàn)圖 來(lái)源：Imec

另一種可能性是，該行業(yè)可以開(kāi)發(fā)具有非易失性的單晶體管（1T）類(lèi)DRAM器件。 這是一個(gè)無(wú)電容器的鐵電DRAM類(lèi)器件。但即便使用鐵電鉿，鐵電DRAM也面臨一些挑戰。“問(wèn)題是它有一些限制。DRAM幾乎擁有無(wú)限的續航能力。通過(guò)鐵電體這一點(diǎn)已經(jīng)得到證實(shí)。”Imec公司的Van Houdt說(shuō)。

Imec也在追求類(lèi)似3D NAND的鐵電器件技術(shù)。這種技術(shù)有時(shí)被稱(chēng)為3D FeNAND，采用基于3D NAND的制造流程。

Van Houdt說(shuō)：“它是低電壓和非易失性的。功耗也要低得多，因為它是一個(gè)高k材料，它會(huì )更快，所以要比NAND驅動(dòng)更多的電流，這是NAND替代品。 當然，要取代NAND幾乎是不可能的。”

所以，如果它可行，該器件可能會(huì )出于圖6的儲存器等級金字塔的某個(gè)地方。但是技術(shù)距離進(jìn)入商業(yè)市場(chǎng)還會(huì )有五到十年的時(shí)間。

不過(guò)還存在其他的問(wèn)題。 例如，在IEDM的一篇論文中，SK Hynix，Lam及其它公司發(fā)現，由于外部問(wèn)題，鐵電鉿材料的實(shí)際開(kāi)關(guān)速度比預期的要慢。

SK Hynix，Lam及其它公司發(fā)現了一種控制硅摻雜氧化鉿晶粒尺寸的方法，這反過(guò)來(lái)又提高了材料組的速度。 “我們成功地證明了Si：HfO2是由具有Ec?0.5MV / cm的具有FE性質(zhì)的受控納米晶體組成的，它是普通Si：HfO2的一半，并且疇轉換速度比普通晶粒大小的Si：HfO2快三倍。”

什么是NC-FET？

鐵電鉿氧化物還有其他用途。一段時(shí)間以來(lái)，加州大學(xué)伯克利分校和其他一些學(xué)院繼續研究NC-FET，這是一款針對3nm或更高頻率的下一代邏輯晶體管。

像FeFET一樣，NC-FET不是一個(gè)新器件。在NC-FET中，現有晶體管中的柵極疊層用鐵電鉿氧化物進(jìn)行改性。與FeFET相比，NC-FET的膜厚略有不同。

應用材料公司晶體管和互連集團總監Mike Chudzik說(shuō)：“這就是樂(lè )趣所在，只是一個(gè)簡(jiǎn)單的鐵電介質(zhì)交換。我會(huì )把它沿著(zhù)FET隧道布置。”

NC-FET具有亞閾值斜率，應用在低功耗領(lǐng)域。它將與隧道場(chǎng)效應管（TFET）的競爭更多，TFET是一種針對3納米及以上的低功率晶體管。

“從根本上說(shuō)，鐵電就像個(gè)電壓放大器。 你放一個(gè)電壓，因為它相互作用的方式，它就會(huì )放大電壓。 這就是為什么你得到這個(gè)增強的亞閾值斜率。”Chudzik說(shuō)。

基于這項技術(shù), 加州大學(xué)伯克利分校正在探索將現今的 FinFET 和 FD SOI 技術(shù)擴展到2nm。他們將新的技術(shù)稱(chēng)作NC-finFET 和NC-FD-SOI。

可以肯定的是, NC FET仍處于發(fā)展初期。Chudzik 說(shuō): “它的研究雖然充滿(mǎn)可能性和樂(lè )趣, 但也有很多懸而未決的問(wèn)題。”

但從短期來(lái)看，FeFET是這些有前途的材料組合中可能先實(shí)現的技術(shù)，這反過(guò)來(lái)又可能在這個(gè)領(lǐng)域內掀起一股研發(fā)浪潮。否則就像其他技術(shù)一樣，也會(huì )被晾在路邊。

來(lái)源：本文由半導體行業(yè)觀(guān)察翻譯自Semiengineering，謝謝。

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