FeRAM aus Dresden: „Wir wollen das ARM für Speicher werden!“

| Redakteur: Michael Eckstein

Entwicklungspotenzial: Das derzeit sechsköpfige FMC-Team - hier mit einem übergroßen Layout von FeRAM-Chips - sucht händeringend Unterstützung durch NVM-Designexperten.
Entwicklungspotenzial: Das derzeit sechsköpfige FMC-Team - hier mit einem übergroßen Layout von FeRAM-Chips - sucht händeringend Unterstützung durch NVM-Designexperten. (Bild: Katharina Grottker)

Neuartige FeFET-Speicher mit äußert geringer Leistungsaufnahme und hohem Schreib-/Lese-Tempo ermöglichen exzellente Skalierbarkeit von Embedded-Lösungen für Mikrocontroller und SoCs. Die Ferroelectric Memory Company (FMC) aus Dresden will damit eine neue Ära bei nichtflüchtigen Speichern einläuten. Die Chancen dafür stehen gut.

Was als Zufall begann, hat das Potenzial, sich zu einer bedeutenden Speichertechnologie zu entwickeln – nicht zuletzt für Mikrocontroller und Systems-on-a-Chip (SoC) im Embedded-Bereich. Als bei Qimonda 2009 die Lichter ausgingen, verschwand mit dem Unternehmen eine vielversprechende Entdeckung von der Bildfläche – zumindest vorläufig. Die Forscher der ehemaligen Infineon- vulgo Siemens-Speichersparte hatten bei Versuchsreihen, bei denen sie mit unterschiedlichen Dotiermaterialien, -dichten und -prozessen experimentierten, eine überraschende Fähigkeit von Hafniumoxid (HfO2) entdeckt.

Das Material dient unter anderem als Gate-Isolator von CMOS-Transistoren vom 45-nm- bis zum 7-nm-Knoten und darüber hinaus – steckt also in sehr vielen Halbleiterchips. Amorphe, ungeordnete HfO2-Schichten kommen in nahezu jedem Prozessor und SRAM zum Einsatz. Kristalline Schichten, die geordnete HfO2-Strukturen aufweisen, finden sich hingegen in jedem DRAM. So weit, so bekannt. 2007 entdeckten die Qimonda-Entwickler, dass ferroelektrisches HfO2 zwei stabile Zustände annehmen kann, wenn es auf eine bestimmte Weise in der Halbleiterfertigung verarbeitet wird.

100% kompatibel mit Standard-CMOS-Prozessen

Kurzum: Mit einem herkömmlichen CMOS-Prozess hergestellte Logik-Transistoren lassen sich in effiziente nichtflüchtige Speichereinheiten (Non-Volatile Memory, NVM) umwandeln. Universitäre Einrichtungen, die bereits mit Qimonda zusammengearbeitet hatten, forschten weiter an der Technologie. Und gründeten schließlich die Ferroelectric Memory Company (FMC) aus, um sie kommerziell zu vermarkten. Die Technologie, die amorphes in kristallines ferroelektrisches HfO2 überführt, ist mittlerweile patentgeschützt. „Damit wird aus einem Standard-CMOS-Transistor ein ferroelektrischer Feldeffekttransistor – und damit eine nichtflüchtige Speicherzelle“, erläutert Dr. Stefan Müller, Mitgründer und CEO von FMC.

FMC nutzt diese ferroelektrischen Eigenschaften von kristallinem Hafniumoxid für seine Embedded-Memory-Technologie. Darauf basierende FeFETs würden ihren Zustand stromlos wechseln, nur durch das Anlegen einer 2 bis 4 V großen Schreibspannung am Gate. Bei einem FeFET ist die Polarisationsrichtung des Hafniumoxid-Materials nach einem positiven Gate-Write-Puls im Schichtaufbau nach unten gerichtet, so dass die Schwellspannung des Transistors verringert wird. Nach einem negativen Gate-Write-Puls ist die Polarisation dagegen nach oben gerichtet, die Schwellspannung wird erhöht.

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 speichert). Das Material behält seine jeweilige Polarisation laut FMC auch dann bei, wenn keine Spannung anliegt und ist damit nicht-flüchtig. Gegenüber heute eingesetzten eFlash-Techniken erreicht FeFET laut Müller um den Faktor 1000 höhere Geschwindigkeiten bei rund 1000-fach geringerer Leistungsaufnahme.

„FeFET-Zellen lassen sich sehr gut skalieren“

Und: „Da kein Strom zwischen Source und Drain fließt, kann der Abstand zwischen beiden Bereichen auf dem Substrat sehr gering sein“, erklärt Müller. „Dadurch lassen sich die Zellen sehr gut skalieren.“ Anders beim eFlash, das bei vielen Embedded-Anwendungen verwendet wird: Der Aufbau ist wesentlich komplexer. Zum Schreiben sind Spannungen von 10 V und mehr nötig. Dabei fließt der „Channel Current Flow“ (HCI). Der Kanal im Substrat kann daher eine Mindestlänge nicht unterschreiten, sonst droht die Zerstörung der Zelle.

„Da der Aufbau der FeFET-Zelle vergleichsweise einfach ist, reichen zwei zusätzliche Masken im Herstellungsprozess“, erklärt Müller. Für das Integrieren von eFlash-Speicher in einem Mikrocontrollers seien hingegen etwa 15 zusätzliche Masken erforderlich. „FeRAM lässt sich daher im Vergleich viel günstiger fertigen.“ Auch würden FeFETs direkt von den massiven Investitionen und Innovationen profitieren, die zur Skalierung von Standard-CMOS-Prozessen hin zu 7-nm-Knoten und darüber hinausführen. FMC hat mit seinem Technologiepartner Globalfoundries bereits Speicher-Arrays mit 28- und 22-nm-Strukturen gefertigt und die Machbarkeit einer Volumenproduktion demonstriert. „FeRAM hat das Potenzial, selbst auf die neuesten CMOS-Technologie-Knoten zu skalieren“, blickt der FMC-Chef in die Zukunft.

Vergleich mit MRAM, PCM und RRAM

Ein-Transistor-Speicher, die auf ferroelektrischem HfO2 basiere, böte im Vergleich zu konkurrierenden Speicherlösungen wie MRAM (Magnetoresistives RAM), PCM (Phase-Change-RAM) oder RRAM (Resitive RAM) drei Hauptvorteile: „Erstens weisen die FeFET-Speicher eine hohe Stromtreiberfähigkeit mit sehr schnellen Lesegeschwindigkeiten auf, während das effiziente Umschalten der Speicherzellen zu schnellem Schreiben bei extrem niedriger Leistungsaufnahme führt. Zweitens sind FeFET-Speicher ausnehmend robust gegenüber Umwelteinflüssen wie Magnetfeldern, Strahlung und extremen Temperaturen“, erklärt der FMC-CEO. Drittens würden FeFETs auf High-k-Metall-Gate-CMOS-Basis-Technologien basieren und könnten somit deren Skalierungsvorteile nutzen. „Dabei lassen sich existierende Fertigungsanlagen nutzen und es sind keine zusätzlichen komplexen und teuren Fertigungsprozesse erforderlich.“

FMC kommerzialisiert seine patentgeschützte FeFET-Technologie in Partnerschaft mit Halbleiter-Foundries. Zielkunden sind Fabless-IC-Design-Unternehmen, die Mikrocontroller und SoCs anbieten. FeFET-Speicher eignen sich u.a. ideal für Smart Card-Controller, Automotive-Steuerungen, IoT-Anwendungen sowie für „Deep Learning“ und Künstliche Intelligenz (KI) – sowohl für mobile Geräte als auch für das Data Center.

Verfügbarkeit und Design-Unterstützung

Laut eigener Roadmap will FMC sich bis 2020 vom Technologie-IP- zum Design-IP-Provider entwickeln. Ab 2022 will man dann primär als Anbieter von Speicherlösungen agieren – ähnlich wie das britische Unternehmen Arm heute als Prozessor-IP-Anbieter tätig ist. „Wir wollen das Arm für Speicheranwendungen werden!“, sagt Müller. Den Weg dahin soll eine Wachstumsfinanzierung in Höhe von 4,6 Mio. Euro ebnen, die das Unternehmen gerade erfolgreich eingeworben hat.

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 benötigt werden. Darüber hinaus entwickelt und qualifiziert FMC Speicherlösungen, die hinsichtlich Funktionalität, Dichte, Formfaktor, Geschwindigkeit und Energieverbrauch auf kundenspezifische Anforderungen zugeschnitten sind.

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Das klingt doch wirklich mal nach einen Effekt der 1. gut erklärt ist, wobei ich mir gewünscht...  lesen
posted am 12.07.2018 um 23:40 von Unregistriert

Dann sei diesen Team alles Gute und maximaler Erfolg gewünscht! Und wenn dieser dann eintritt wäre...  lesen
posted am 12.07.2018 um 15:24 von Unregistriert


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