新的记忆竞争者?

一种新的铁电存储器正在形成势头，它可能改变下一代存储器的格局。

通常，铁电体与一种称为铁电ram (FRAMs)的存储类型有关。fram是上世纪90年代末由几家供应商推出的低功耗、非易失性器件，但它们也仅限于小众应用，无法扩展到130纳米以上。

在FRAMs继续出货的同时，业界也一直在开发一种不同的存储类型，称为铁电场效应晶体管(FeFET)。而不是使用传统的FRAM材料，fefet和相关技术利用氧化铪中的铁电特性，有时被称为铁电氧化铪。(fefet不同于称为finfet的逻辑晶体管类型)。

FeFET仍处于研发阶段，本质上并不是一种新设备。对于fefet，其想法是采用现有的基于氧化铪的高k/金属栅极堆叠逻辑晶体管，然后修改具有铁电特性的栅极绝缘体。最终的结构是相同的晶体管，具有可扩展的嵌入式FeFET存储器，具有低功耗和非易失性。理论上，它的性能应该会超过现在的嵌入式闪存。

图1:如何制作FeFET。资料来源:铁电存储器公司。

其他人正在研究不同类型的基于fefet的非易失性器件。这听起来像是一个简单的概念，但存在一些挑战，例如集成问题、数据保留、可靠性和成本。Forward Insights分析师Greg Wong表示:" FeFETs前景看好，但仍处于早期阶段。"

还有其他的挑战。正在开发fefet的初创公司Ferroelectric memory Co. (FMC)首席执行官Stefan Müller表示:“对于一项新兴的存储技术来说，最难的部分是让客户相信你的解决方案是真实的。”

尽管如此，fefet和相关技术正在获得动力。以下是该领域的最新进展:

•GlobalFoundries、FMC、NaMLab、Fraunhofer等公司在22nm FD-SOI工艺中展示了嵌入式非易失性FeFET，达到了一个重要的里程碑。该技术预计将于2019年获得认证，但目前还没有生产时间表。
•Imec正在开发一种方案，用铁电氧化铪取代现有的DRAM材料，创造一种新的非易失性DRAM类存储器。此外，Imec还在开发一种类似3D NAND的堆叠铁电器件。
•SK海力士，林的研究最近，Versum等人发表了一篇关于此类器件开关机制的论文，该小组将其称为1T-FeRAM和3D FeNAND。
•越来越多的小组正在探索用于下一代逻辑晶体管类型的铁电氧化铪，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候选。

3D FeNAND，铁电dram和nc - fet仍处于研发的早期阶段，现在说这些技术是否会投入生产还为时过早。最大的试验场是由GlobalFoundries、FMC和其他公司开发的FeFET。

如果它能飞起来，FeFET将加入下一代内存市场的拥挤领域。其他新的内存类型，比如3D XPoint，磁阻的内存，ReRAM甚至传统的FRAM，都在运输。潜在地，fefet将与部分但不是所有这些技术竞争。

新一代内存竞赛
多年来，业界一直在开发下一代存储器类型，并且有充分的理由-传统存储器有各种各样的局限性。

例如,动态随机存取记忆体这种存储器在系统中用作主存，速度快，价格便宜。但是DRAM是不稳定的。当系统断电时，它会丢失数据。

NAND和NOR闪光内存也很便宜。Flash是非易失性的，即使断电也能存储数据。然而，在操作中，flash经历了几个读/写周期，这是一个缓慢的过程。

这就是新记忆的归属。一般来说，下一代内存类型是快速，非易失性和提供无限的续航能力。它们还提供位可变，免擦除功能，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奇异的材料和复杂的转换机制，所以它们需要更长的时间来开发。与此同时，该行业继续扩大DRAM和闪存的规模，这使得新的内存类型难以在市场上立足。

不过，该行业正开始增加一些新的内存类型。以下是对景观的简单解释:

•英特尔和美光正在大力发展3D XPoint，这是一种基于相变存储器的新一代技术。3D XPoint是一个独立的设备，用于加速固态硬盘(SSD)中的操作。
Everspin和其他公司正在开发下一代MRAM技术，称为自旋转移转矩磁阻RAM (STT-MRAM)。STT-MRAM用于嵌入式或独立应用，利用电子自旋的磁性在芯片中提供非挥发性。
•一些供应商和代工厂正在为独立和嵌入式应用开发电阻式RAM (ReRAM)。在ReRAM中，将电压施加到材料堆栈上，在存储器中记录数据的电阻中产生变化。
•赛普拉斯、富士通、松下、TI和其他公司正在推出带有嵌入式FRAM的微控制器(mcu)。

图2:自旋扭矩MRAM技术。来源:Everspin

图3:运行中的ReRAM。来源:Adesto

由于铁电材料并不具有铁磁性，因此FRAMs被广泛误解。FMC的Müller解释说:“(铁电存储器)只使用电场而不使用电流来编写应用程序。”“所有其他新兴的存储概念，如电阻式RAM、相变存储器和MRAM都是通过驱动电流通过存储单元进行写入。”

FRAM是基于一个(一个晶体管，一个电容器(1T-1C)存储单元设计。FRAM使用铁电电容器存储数据，是一种低功耗、非易失性存储器，具有无限的续航能力，使其成为各种嵌入式芯片应用的理想选择。

通常，FRAMs由基于锆钛酸铅(PZT)的薄铁电薄膜组成。赛普拉斯说:“PZT中的原子在电场中改变极性，从而产生了一种高效的二进制开关。”

图4:传统FRAM。来源:柏树

然而，fram存在一些问题。“从材料的角度来看，经典的FRAM是异域的，”Müller说。“由于只能使用平面电容器，而传统的铁电薄膜不可扩展，FRAM还没有扩展到130nm技术节点。这阻碍了传统FRAM的广泛采用。”

与传统的FRAM不同的FeFET，支持者希望解决这些问题。几年前，该行业偶然发现了一个新发现，即氧化铪中的铁电性。研究人员发现在掺杂氧化铪的过程中可以稳定一种晶体相。根据FMC的说法，“在晶体相中，氧化铪的氧原子可以位于两个稳定的位置，根据外部电场的极性向上或向下移动。”

氧化铪是一种众所周知的材料。一段时间以来，芯片制造商已经在28nm及以上的逻辑器件中使用氧化铪作为高k/金属栅极结构的栅极堆叠材料。对于fefet，其想法是利用铁电氧化铪的特性，而不是使用外来材料创建新的器件结构。

例如，在FMC的技术中，最理想的是利用现有的晶体管。然后，使用沉积工艺，硅掺杂的氧化铪材料沉积到晶体管的栅极堆中，从而产生铁电特性。FMC的方案还消除了对电容器的需求，实现了单晶体管存储单元或1T-FeFET技术。

Müller说:“在fefet中，在栅极介电本身内形成永久偶极子，将铁电晶体管的阈值电压分裂为两个稳定状态。”“因此，二进制状态可以存储在fefet中，类似于在闪存单元中存储的方式。”

图5:FeFET (n型功能)。当铁电极化向下(左)时，电子反转通道区域，永久性地将FeFET带入“开”状态。如果极化向上(中间)，就会产生永久积累，FeFET就会处于“关闭”状态。来源:融合。

从理论上讲，这项技术是引人注目的。“每一个尖端晶体管里都有氧化铪。这是门电介质，”他说。“如果你聪明地做这件事，并修改氧化铪，你实际上可以将你的逻辑晶体管，当你移除电源时，它会失去一个状态，变成一个非易失性晶体管。当权力被移除时，它仍然处于状态。”

fefet仍处于研发阶段，还没有准备好投入黄金时段。但如果它真的有效，消费者将在下一代内存世界中拥有另一种选择。3D XPoint, FRAM, MRAM, ReRAM等也在舞台上。

那么哪种新的存储技术将会胜出呢?这并不完全清楚，因为没有一个内存可以处理所有需求。每一种新的记忆类型都有它的位置。新的存储器类型正在取代传统存储器的一些套接字。但总的来说，传统的DRAM和NAND仍在内存领域占据主导地位。

图6:内存结构

嵌入式内存之争
在内存领域，新兴的战斗发生在嵌入式市场。今天的mcu在同一个芯片上集成了多个组件，如CPU、SRAM和嵌入式内存。CPU执行指令。SRAM集成在芯片上，用于存储数据。

嵌入式存储器，如EEPROM和NOR闪存，用于代码存储和其他功能。“对于EEPROM，每个比特是两个晶体管。而且每个字节都可以被删除或重新编程，”Objective Analysis的分析师吉姆·汉迪(Jim Handy)在最近的一次采访中说。“在每个块(带NOR闪存)上，我们有一个巨大的晶体管，对块上的所有位进行擦除。与每比特两个晶体管相比，一个巨大的晶体管仍然节省了大量的芯片空间。”

嵌入式闪存(eFlash)功能强大，是工业应用的理想选择。例如，汽车原始设备制造商有严格的要求，NOR符合要求。“性能驱动的汽车mcu是eFlash背后的驱动力，”美国销售副总裁Walter Ng说联华电子．

NOR有一些限制，比如写速度较慢。NOR从40纳米到28纳米也变得更加昂贵。目前还不清楚NOR是否能超过28纳米。

下一代存储器供应商希望填补这一空白。“新兴公羊似乎提供了一种可能的解决方案，”Ng说。“然而，这些技术将如何被汽车界接受还有待观察。”

无论如何，嵌入式存储器市场正在升温。一些晶圆代工厂，如GlobalFoundries、三星、台积电和联电，正在开发嵌入式STT-MRAM。此外，中芯国际、台积电和联电正在开发嵌入式ReRAM。

FeFET是这个领域的新成员。2009年，夫琅和费、GlobalFoundries和NaMLab开始探索fefet。后来，FMC从NaMLab分离出来。

2014年，该团队展示了一个基于28纳米CMOS工艺的简单FeFET阵列。然后，在最近的IEDM会议上，GlobalFoundries，弗劳恩霍夫NaMLab和FMC提出了新的结果，使fefet更接近商业化。

该小组在22nm FD-SOI工艺中演示了嵌入式FeFET。“这是一种非常低成本的方法，可以获得非常密集的内存类型，”at的CTO Gary Patton说GlobalFoundries．

根据IEDM的论文，FeFET的单元尺寸小到0.025μm²。该设备由一个32MBit阵列组成，带有10ns范围内4.2伏特的程序/擦除脉冲。它的保温率可达300°C。

最初，fefet的目标是消费应用的嵌入式非易失性存储器市场。“它的写入速度(比传统的eFlash)快两个数量级。FMC的Müller公司表示:“我们使用10ns格式，而flash使用1ms到10ms格式。”

这项技术很有前景。“他们比任何人都走得更远，”该公司杰出的技术人员扬·范·豪特(Jan Van Houdt)说Imec．“他们马上就会采用嵌入式外壳。这可能会奏效。”

fefet在汽车的嵌入式存储空间面临着一场艰苦的战斗，因为温度要求更加严格。不过，汽车原始设备制造商确实在关注STT-MRAM，因为该技术可以承受更高的温度。

接下来是什么?
就其本身而言，Imec正在两个方面开发铁电技术。一种是一种新型的非易失性dram类设备，另一种是一种类似3D NAND的独立存储设备。

DRAM基于1T1C单元结构。在工作中，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，这反过来又会消耗系统的电力。

在DRAM的垂直电容器结构中，有一个金属-绝缘体-金属(MIM)材料堆栈。在MIM堆叠中，高k材料夹在两个二氧化锆层之间。这有时被称为ZAZ电容器。

Imec和其他公司正在探索用铁电氧化铪取代DRAM中的二氧化锆材料的想法。铁电状态下的氧化铪类似于二氧化锆。

利用这项技术，Imec正在开发一种具有非易失性的铁电dram类设备，不需要刷新操作。

当然，挑战是存在的。在每个节点上缩放垂直1T1C电容对DRAM来说是很困难的。对于铁电dram类设备来说，这不会改变，因为该设备也配置了1T1C单元。

图7:DRAM路线图图

另一种可能性是，该行业可以开发一种具有非易失性的单晶体管(1T) dram类器件。这是一种无电容的类dram铁电器件。
但即使使用铁电铪，基于铁电的dram也面临一些挑战。“问题是它有一些续航能力的限制。DRAM几乎具有无限的续航能力。对于铁电体，这必须得到证明，”Imec的Van Houdt说。

Imec还在研发类似3D NAND的铁电器件技术。该技术有时被称为3D FeNAND，使用基于3D nand的制造流程构建。

“它电压低，不易挥发。功耗更低。它会更快，因为它是高k的物质。所以你的晶体管将比NAND驱动更大的电流，”Van Houdt说。

这个问题?“这是一种NAND的替代品。但是，当然，取代NAND几乎是不可能的。”

因此，如果它真的能飞起来，该设备可能适合存储类内存层次结构中的某个地方。但这项技术要进入商业市场还需要5到10年的时间。

还有其他问题。例如，在IEDM的一篇论文中，SK Hynix、Lam等人发现铁电氧化铪材料的实际开关速度比预期的要慢，原因是外部失调。

SK海力士、Lam和其他人找到了一种控制掺硅氧化铪晶粒尺寸的方法，这反过来又提高了材料集的速度。“我们成功地证明了Si:HfO2由FE性质为Ec ~0.5MV/cm的受控纳米颗粒组成，这是普通Si:HfO2的一半，畴切换速度达到普通Si:HfO2晶粒尺寸的3倍左右，”根据该论文。

什么是nc - fet ?
铁电氧化铪还有其他用途。有一段时间，加州大学伯克利分校而其他人则继续追求NC-FET，这是一种目标为3nm或更高的下一代逻辑晶体管。

与FeFET一样，NC-FET也不是一种新设备。在NC-FET中，现有晶体管中的栅极堆叠用铁电氧化铪修饰。与FeFET相比，nc fet的薄膜厚度略有不同。

“这就是为什么人们对此有如此浓厚的兴趣。应用材料．“这是一个简单的交换介电铁电。我会把它和隧道fet放在一起。”

nc - fet是用于低功耗应用程序的陡峭次阈值斜坡设备。它将更多地与隧道FET (TFET)竞争，后者是一种低功率晶体管，目标是3nm及以上。

“本质上，铁电就像一个电压放大器。给它加一个电压。因为它相互作用的方式，放大了电压。这就是为什么你会得到这种增强的阈下斜率，”Chudzik说。

有了这项技术，加州大学伯克利分校正在探索将目前的finFET和FD-SOI技术扩展到2纳米的想法。加州大学伯克利分校将其技术称为NC-finFET和NC-FD-SOI。

可以肯定的是，NC-FET仍处于早期阶段。Chudzik说:“它有很多希望和兴趣，但也有很多未解的问题。”

不过，在短期内，FeFET是第一个可能出现的有前途的材料集技术。反过来，这可能会在该领域掀起一股研发浪潮。或者，像其他技术一样，它可能只是半途而废。

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