关于FeFET的性能分析和应用介绍

在所熟知的材料之中，铁电栅场效应晶体管(Ferroelectric gate field-effect transistors, FeFETs)做新一代闪存是很有前途的。

新一代铁电存储器的发展势头正在形成，这将改变下一代存储格局。

通常，铁电体与一种存储器类型——铁电存储器ferroelectric RAMs (FRAMs) 有关。 20世纪90年代后期，由几家供应商推出的FRAM是低功耗、非易失性设备，但它们也仅限于小众应用，无法在130纳米以上扩展。

FRAM继续生产的同时，业界也在开发另一种类型的铁电存储器。 FeFET及其相关技术没有使用传统FRAM使用的材料，而是利用氧化铪（也称为铁电铪氧化物）的铁电特性。（FeFET和逻辑晶体管FinFET不同）。

不过，就研发阶段而论，FeFET本身并不是一个新器件。对于FeFET，其主要原理是在现有的逻辑晶体管上采用基于氧化铪基的High-K(高K)栅电介质+Metal Gate(金属栅)电极叠层技术，然后将栅极绝缘体改性成具有铁电性质。得到的FeFET晶体管具有相同的结构，但是具有可扩展、低功率和非易失性等特性。从理论上讲，应该比当前的嵌入式闪存更好。

图1：FeFET制作流程。 来源：Ferroelectric Memory Co.

很多研究者正在研究不同类型的基于FeFET的非易失性器件。这听起来是一个简单的概念，但是有几个关键挑战，比如集成、数据保存、可靠性和成本等问题。 Forward Insights的分析师Greg Wong说：“FeFETs是很有前景，但目前为时尚早。”

当然还有其他的挑战。Ferroelectric Memory Co.（FMC）公司正在开发FeFET，其首席执行官StefanMüller表示：“对于新兴的存储器技术，最难的部分是要客户确信你的解决方案真实可靠。”

尽管如此，FeFET及其相关技术正在蒸蒸日上，以下是其最新进展：

•GlobalFoundries，FMC，NaMLab，Fraunhofer等已经在22纳米FD-SOI工艺中演示了一种嵌入式非易失性FeFET，取得了一个重要里程碑。 虽然没有生产时间表，但该技术将在2019年获得认证。

•Imec正在开发一种方案，用铁电铪氧化物取代目前的DRAM材料，创造出一类新的非易失性DRAM类存储器。 此外，Imec也正在开发类似于3D NAND的堆叠式铁电器件。

•SK Hynix，Lam Research，Versum等最近发表了一篇关于这类器件的开关机制的论文，其中一个小组称之为1T-FeRAM和一个3D FeNAND。

•越来越多的团队正在探索下一代基于铁电铪氧化物的逻辑晶体管类型，通常被称为负电容场效应晶体管（NC-FET）。 NC-FET是3nm及以上晶体管的潜在技术。

3D FeNAND，铁电DRAM和NC-FET还处于研发的早期阶段，这些技术是否能够投入生产还言之过早。 GlobalFoundries，FMC等企业是开发的FeFET的大试验场。

如果它成功了，FeFET将进入下一代内存市场这个拥挤的领域。而其他新的存储器类型，如3D XPoint、Magnetoresistive RAM、ReRAM甚至传统的FRAM都正在出货中。很大程度上，FeFET将与这些技术中的某些类型展开竞争。

下一代内存竞赛

多年来业界一直在开发下一代内存类型，理由很简单：传统的内存有各种各样的限制。

例如，用作系统主存储器的DRAM快速便宜，但DRAM在系统关闭电源时会丢失数据。

NAND和NOR闪存也很便宜。 Flash是非易失性的，即使在电源关闭的情况下也可以存储数据。但是，在操作中，闪存会经历几个读/写周期，这是一个缓慢的过程。

这正是新闪存适用的地方。一般来说，下一代存储器类型是快速的、非易失性的并可以提供无限的续航能力。它们还提供可变位、无擦除的功能，使其成为DRAM和闪存的理想替代品。但是这些新的记忆也依赖于异域材料和复杂的转换机制，所以他们需要花费更长的时间来开发。与此同时，行业不断扩大DRAM和闪存规模，使得新的存储器类型难以在市场上站稳脚跟。

不过，行业内一些新类型的内存正在开始增加。这里有一个简单的图景：

•英特尔和美光正在推出基于相变存储器的下一代3D XPoint技术。3D XPoint是一个独立的器件，用于加速固态硬盘（SSD）的操作。

•Everspin和其他公司正在开发自旋转矩磁阻RAM（STT-MRAM）的下一代MRAM技术。 STT-MRAM用于嵌入式或独立应用，利用电子自旋产生的磁性在芯片中提供非易失性。

•几家供应商和代工厂正在为独立的嵌入式应用开发电阻式RAM（ReRAM）。 在ReRAM中，将电压施加到材料叠层上，从而记录电阻变化产生的数据。

•赛普拉斯，富士通，松下，德州仪器和其他公司正在推出带嵌入式FRAM的微控制器（MCU）。

图2：自旋扭矩MRAM技术。 来源：Everspin

图3：ReRAM。 来源：Adesto

FRAM被广泛误解，因为铁电材料不是铁磁性的。FMC公司的Müller解释说：“铁电存储器仅使用电场来写入应用程序，没有电流流过。所有其他新出现的存储器，如电阻式RAM、相变存储器和MRAM都是通过驱动存储器单元的电流来写入的。

FRAM利用铁电晶体的铁电效应实现数据存储。铁电效应是指在铁电晶体上施加一定的电场时，晶体中心原子在电场的作用下运动，并达到一种稳定状态；当电场从晶体移走后，中心原子会保持在原来的位置。这是由于晶体的中间层是一个高能阶，中心原子在没有获得外部能量时不能越过高能阶到达另一稳定位置，因此FRAM保持数据不需要电压，也不需要像DRAM一样周期性刷新。由于铁电效应是铁电晶体所固有的一种偏振极化特性，与电磁作用无关，所以FRAM存储器的内容不会受到外界条件（诸如磁场因素）的影响，能够同普通ROM存储器一样使用，具有非易失性的存储特性和无限的耐用性，非常适合各种嵌入式芯片应用。

通常，FRAM由基于锆钛酸铅（PZT）的薄层铁电薄膜组成。 Cypress说，PZT中的原子在电场中改变极性，从而形成功率高效的二进制开关。

图4：传统的FRAM 来源：Cypress

然而，FRAM有一些问题。穆勒说：“经典的FRAM从材料的角度来看是异乎寻常的。由于只有平面电容器可以使用，传统的铁电薄膜不可扩展，FRAM还没有超出130纳米技术节点。这阻止了传统FRAM被广泛采用。”

由于FeFET与传统FRAM不同，支持者希望解决这些问题。 几年前，这个行业偶然有了一个新的发现，即氧化铪中的铁电性质。 研究人员发现，在掺杂氧化铪的过程中，晶相可以稳定。 FMC公司称：“在这个晶相中，氧化铪的氧原子可以存在于两个稳定的位置，根据外加电场的极性向上或向下移动。”

氧化铪是一种广为人知的材料。 一段时间以来，芯片制造商已经使用氧化铪作为28nm及以上逻辑器件中的高k /金属栅极结构的栅极堆叠材料。 对于FeFET，主要是利用铁电铪氧化物的特性，而不是使用特殊材料创建新的器件结构。

例如，在FMC的技术中，最理想的是采用现有的晶体管。然后使用沉积工艺，将硅掺杂的氧化铪材料沉积到晶体管的栅极叠层中，产生铁电性质。 FMC的方案也消除了对电容器的需求，使单晶体管存储单元或1T-FeFET技术成为可能。

Müller说：“在FeFET中，永久偶极子形成在本身内栅介质，将铁电晶体管的阈值电压分成两个稳定的状态，因此，二进制状态可以存储在FeFET中，就像在闪存单元中做的一样。”

图5：FeFET（n型）： 当铁电极化向下（左）时，电子反转沟道区域，永久地使FeFET进入“导通”状态。 如果极化点朝上（中间），则永久积累，并且FeFET处于“关”状态。 来源：FMC。

从理论上讲，该技术是令人信服的。“每个尖端晶体管都有氧化铪。这是门电介质。如果巧妙地做到这一点，并改性氧化铪，实际上可以将逻辑晶体管转换为非易失性晶体管，而这种晶体管在断开电源时会失去一个状态。断电后仍然可以保持状态。”

FeFET仍处于研发阶段，尚未准备好迎接黄金时代。 但如果确实有效的话，消费者在下一代的闪存世界中还有另一种选择。 3D XPoint、FRAM、MRAM、ReRAM等也在备选之中。

那么，哪种新的内存技术会占上风呢？ 这并不清楚，因为没有一个内存可以处理所有的要求。 每个新的内存类型都有它的特点。 新型存储器正在从传统的存储器中蚕食一些市场。但总的来说，传统的DRAM和NAND继续在存储器层次上占主导地位。

图6：内存金字塔 来源：Imec

嵌入式内存战争

在储存空间方面，新兴战场正在嵌入式市场形成。如今的MCU在同一芯片上集成了多个组件，如CPU、SRAM和嵌入式存储器。 CPU负责执行指令。芯片上集成了SRAM以存储数据。

嵌入式存储器（如EEPROM和NOR闪存）用于代码存储和其他功能。Objective Analysis分析师Jim Handy在最近的一次采访中表示：“用EEPROM，每一个字节都是两个晶体管。每个字节都可以被擦除或重新编程。在每个模块上（NOR闪存），我们有一个巨大的晶体管对所有字节进行擦除。与每字节两个晶体管相比，巨大的晶体管仍然可以节省大量的芯片空间。”

嵌入式闪存（eFlash）功能强大，非常适合工业应用。 例如，汽车原始设备制造商有严格的要求，而NOR也符合这个要求。 联华电子美国销售副总裁Walter Ng表示：“汽车MCU是受性能驱动的，这也是eFlash的推动力。

NOR有一些限制，因为写入速度很慢。 NOR从40nm移动到28nm也变得越来越昂贵。目前还不清楚NOR能否扩展到28nm以上。

下一代闪存的供应商希望填补空白。新兴的RAM似乎提供了一个可能的解决方案。但是，汽车界如何接受这样的技术还有待观察。”

不管怎样，嵌入式内存市场正在升温。几家代工厂如GlobalFoundries，三星，台积电和联电正在开发嵌入式STT-MRAM。 另外，中芯国际，台积电和联电也正在开发嵌入式ReRAM。

FeFET是这个领域的新产物。 2009年，Fraunhofer，GlobalFoundries和NaMLab开始探索FeFET。 后来，FMC从NaMLab中独立出来。

2014年，该小组展示了一个基于28nm CMOS工艺的简单FeFET阵列。 然后，在最近的IEDM会议上，GlobalFoundries，Fraunhofer，NaMLab和FMC提出了新的结果，使FeFET更接近商业化。

该小组在22纳米FD-SOI工艺中展示了嵌入式FeFET。 GlobalFoundries首席技术官Gary Patton表示：“制造非常密集内存的方法相对成本较低。”

根据IEDM论文，FeFET的单元尺寸小到0.025μm²。 该器件由一个32MB的阵列组成，其编程/擦除脉冲在4.2V的10ns范围内。 它具有高达300°C的保温率。

最初，FeFET的目标是针对消费类应用的嵌入式非易失性存储器市场。“写入速度比传统的eFlash要快两个数量级左右。 我们在10ns，regime在1ms至10ms。”FMC的穆勒说。

技术是有可能实现的。 Imec杰出的技术人员Jan Van Houdt说：“他们比其他人走得更远。 他们现在就推进者嵌入式方案，这可能会起作用。”

在温度要求更严格的汽车嵌入式存储器领域，FeFET面临着艰难的竞争。汽车OEM厂商确实正在研究STT-MRAM，因为该技术可以承受更高的温度。

接下来呢？

就其本身而言, Imec 正在两条方向上发展铁电技术。一个包含一种新型的非易失性的类似 DRAM, 而另一个是独立的存储设备, 类似于3D NAND。

DRAM 是基于1T1C 的细胞结构。在操作中, 当晶体管关闭时, 电容器中的电荷会泄漏或放电。因此, 电容器必须每64毫秒刷新一次, 即使这会消耗系统中的电能。

在 DRAM 的垂直电容器结构中, 有一个金属-绝缘体-金属的材料堆栈（metal-insulator-metal ：MIM）。在 MIM 堆栈中, 高K材料夹在两个二氧化锆层之间，所以这种电容器有时也被称为 ZAZ 电容器。

Imec 和其他机构都在探索把DRAM 中的二氧化锆材料用铁电氧化铪代替，因为氧化铪在铁电状态下类似于二氧化锆。

利用以上技术, Imec 正在研发具有非易失性的铁电类似 DRAM 装置, 它不需要进行刷新操作。

当然过程中不乏挑战。对于DRAM，在任一节点上缩放垂直1T1C 电容器都很难。垂直1T1C 电容器的缩放在每个节点上都很难进行。 因为铁电类似 DRAM 装置也具有1T1C 细胞结构，所以这个操作不会变得简单。

图7： DRAM 路线图 来源：Imec

另一种可能性是，该行业可以开发具有非易失性的单晶体管（1T）类DRAM器件。 这是一个无电容器的铁电DRAM类器件。但即便使用铁电铪，铁电DRAM也面临一些挑战。“问题是它有一些限制。DRAM几乎拥有无限的续航能力。通过铁电体这一点已经得到证实。”Imec公司的Van Houdt说。

Imec也在追求类似3D NAND的铁电器件技术。这种技术有时被称为3D FeNAND，采用基于3D NAND的制造流程。

Van Houdt说：“它是低电压和非易失性的。功耗也要低得多，因为它是一个高k材料，它会更快，所以要比NAND驱动更多的电流，这是NAND替代品。 当然，要取代NAND几乎是不可能的。”

所以，如果它可行，该器件可能会出于图6的储存器等级金字塔的某个地方。但是技术距离进入商业市场还会有五到十年的时间。

不过还存在其他的问题。 例如，在IEDM的一篇论文中，SK Hynix，Lam及其它公司发现，由于外部问题，铁电铪材料的实际开关速度比预期的要慢。

SK Hynix，Lam及其它公司发现了一种控制硅掺杂氧化铪晶粒尺寸的方法，这反过来又提高了材料组的速度。 “我们成功地证明了Si：HfO2是由具有Ec〜0.5MV / cm的具有FE性质的受控纳米晶体组成的，它是普通Si：HfO2的一半，并且畴转换速度比普通晶粒大小的Si：HfO2快三倍。”

什么是NC-FET？

铁电铪氧化物还有其他用途。一段时间以来，加州大学伯克利分校和其他一些学院继续研究NC-FET，这是一款针对3nm或更高频率的下一代逻辑晶体管。

像FeFET一样，NC-FET不是一个新器件。在NC-FET中，现有晶体管中的栅极叠层用铁电铪氧化物进行改性。与FeFET相比，NC-FET的膜厚略有不同。

应用材料公司晶体管和互连集团高级总监Mike Chudzik说：“这就是乐趣所在，只是一个简单的铁电介质交换。我会把它沿着FET隧道布置。”

NC-FET具有亚阈值斜率，应用在低功耗领域。它将与隧道场效应管（TFET）的竞争更多，TFET是一种针对3纳米及以上的低功率晶体管。

“从根本上说，铁电就像个电压放大器。 你放一个电压，因为它相互作用的方式，它就会放大电压。 这就是为什么你得到这个增强的亚阈值斜率。”Chudzik说。

基于这项技术, 加州大学伯克利分校正在探索将现今的 FinFET 和 FD SOI 技术扩展到2nm。他们将新的技术称作NC-finFET 和NC-FD-SOI。

可以肯定的是, NC FET仍处于发展初期。Chudzik 说: “它的研究虽然充满可能性和乐趣, 但也有很多悬而未决的问题。”

但从短期来看，FeFET是这些有前途的材料组合中最可能先实现的技术，这反过来又可能在这个领域内掀起一股研发浪潮。否则就像其他技术一样，也会被晾在路边。