FeFETs (ferroelektrischen FETs) von FMC nutzen die ferroelektrische Eigenschaft von Hafniumoxid (HfO2), mit der CMOS-Logik-Transistoren in nichtflüchtige Speichereinheiten umgewandelt werden können. FeFETs profitieren damit direkt von den massiven Investitionen und Innovationen, die zur Skalierung von Standard-CMOS-Prozessen hin zu 7-nm-Knoten und darüber hinausführen.
Andere Technologien im Vergleich
Ein-Transistor-Speicher, die auf ferroelektrischem HfO2 basieren, bieten im Vergleich zu Speicher-Lösungen wie MRAM (Magnetoresistives RAM), PCM (Phase-Change-RAM) oder RRAM (Resitive RAM) drei Hauptvorteile:
- Erstens weisen die FeFET-Speicher eine hohe Stromtreiberfähigkeit auf mit sehr schnellen Lesegeschwindigkeiten, während das effiziente Umschalten der Speicherzellen zu schnellem Schreiben bei extrem niedriger Leistungsaufnahme führt.
- Zweitens sind FeFET-Speicher robust gegenüber Umwelteinflüssen wie Magnetfeldern, Strahlung und extremen Temperaturen.
- Drittens basieren FeFETs auf High-k-Metall-Gate-CMOS-Basis-Technologien und können deren Skalierungsvorteile nutzen. Dabei lassen sich existierende Fertigungsanlagen nutzen und es sind keine zusätzlichen Fertigungsprozesse erforderlich.
Aufbau und Funktionsprinzip
Die Embedded-Memory-Technologie von FMC nutzt die ferroelektrischen Eigenschaften von kristallinem Hafniumoxid. Hafniumoxid – in seiner amorphen Form – ist das Gate-Isolatormaterial von CMOS-Transistoren vom 45-nm- bis zum 7-nm-Knoten und darüber hinaus. Die Technologie von FMC macht es möglich, amorphes in kristallines, ferroelektrisches HfO2 umzuwandeln. Auf diese Weise kann jeder Standard-CMOS-Transistor in einen ferroelektrischen Feldeffekttransistor (FeFET) – und damit eine nichtflüchtige Speicherzelle – umgewandelt werden.
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 auch dann bei, wenn keine Spannung anliegt und ist damit nicht-flüchtig.
Verfügbarkeit und Design-Unterstützung
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. 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 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.
