來源：本文由半導體行業觀察翻譯自Semiengineering，謝謝。

在所熟知的材料之中，鐵電柵場效應晶體管(Ferroelectric gate field-effect transistors, FeFETs)做新一代快閃記憶體是很有前途的。

新一代鐵電存儲器的發展勢頭正在形成，這將改變下一代存儲格局。

通常，鐵電體與一種存儲器類型——鐵電存儲器ferroelectric RAMs (FRAMs) 有關。 20世紀90年代後期，由幾家供應商推出的FRAM是低功耗、非易失性設備，但它們也僅限於小眾應用，無法在130納米以上擴展。

FRAM繼續生產的同時，業界也在開發另一種類型的鐵電存儲器。 FeFET及其相關技術沒有使用傳統FRAM使用的材料，而是利用氧化鉿（也稱為鐵電鉿氧化物）的鐵電特性。（FeFET和邏輯晶體管FinFET不同）。

不過，就研發階段而論，FeFET本身並不是一個新器件。對於FeFET，其主要原理是在現有的邏輯晶體管上採用基於氧化鉿基的High-K(高K)柵電介質+Metal Gate(金屬柵)電極疊層技術，然後將柵極絕緣體改性成具有鐵電性質。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快閃記憶體更好。

圖1：FeFET製作流程。 來源：Ferroelectric Memory Co.

很多研究者正在研究不同類型的基於FeFET的非易失性器件。這聽起來是一個簡單的概念，但是有幾個關鍵挑戰，比如集成、數據保存、可靠性和成本等問題。 Forward Insights的分析師Greg Wong說：「FeFETs是很有前景，但目前為時尚早。」

當然還有其他的挑戰。Ferroelectric Memory Co.（FMC）公司正在開發FeFET，其首席執行官StefanMüller表示：「對於新興的存儲器技術，最難的部分是要客戶確信你的解決方案真實可靠。」

儘管如此，FeFET及其相關技術正在蒸蒸日上，以下是其最新進展：

?GlobalFoundries，FMC，NaMLab，Fraunhofer等已經在22納米FD-SOI工藝中演示了一種嵌入式非易失性FeFET，取得了一個重要里程碑。 雖然沒有生產時間表，但該技術將在2019年獲得認證。

?Imec正在開發一種方案，用鐵電鉿氧化物取代目前的DRAM材料，創造出一類新的非易失性DRAM類存儲器。 此外，Imec也正在開發類似於3D NAND的堆疊式鐵電器件。

?SK Hynix，Lam Research，Versum等最近發表了一篇關於這類器件的開關機制的論文，其中一個小組稱之為1T-FeRAM和一個3D FeNAND。

?越來越多的團隊正在探索下一代基於鐵電鉿氧化物的邏輯晶體管類型，通常被稱為負電容場效應晶體管（NC-FET）。 NC-FET是3nm及以上晶體管的潛在技術。

3D FeNAND，鐵電DRAM和NC-FET還處於研發的早期階段，這些技術是否能夠投入生產還言之過早。 GlobalFoundries，FMC等企業是開發的FeFET的大試驗場。

如果它成功了，FeFET將進入下一代內存市場這個擁擠的領域。而其他新的存儲器類型，如3D XPoint、Magnetoresistive RAM、ReRAM甚至傳統的FRAM都正在出貨中。很大程度上，FeFET將與這些技術中的某些類型展開競爭。

下一代內存競賽

多年來業界一直在開發下一代內存類型，理由很簡單：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在系統關閉電源時會丟失數據。

NAND和NOR快閃記憶體也很便宜。 Flash是非易失性的，即使在電源關閉的情況下也可以存儲數據。但是，在操作中，快閃記憶體會經歷幾個讀/寫周期，這是一個緩慢的過程。

這正是新快閃記憶體適用的地方。一般來說，下一代存儲器類型是快速的、非易失性的並可以提供無限的續航能力。它們還提供可變位、無擦除的功能，使其成為DRAM和快閃記憶體的理想替代品。但是這些新的記憶也依賴於異域材料和複雜的轉換機制，所以他們需要花費更長的時間來開發。與此同時，行業不斷擴大DRAM和快閃記憶體規模，使得新的存儲器類型難以在市場上站穩腳跟。

不過，行業內一些新類型的內存正在開始增加。這裡有一個簡單的圖景：

?英特爾和美光正在推出基於相變存儲器的下一代3D XPoint技術。3D XPoint是一個獨立的器件，用於加速固態硬碟（SSD）的操作。

?Everspin和其他公司正在開發自旋轉矩磁阻RAM（STT-MRAM）的下一代MRAM技術。 STT-MRAM用於嵌入式或獨立應用，利用電子自旋產生的磁性在晶元中提供非易失性。

?幾家供應商和代工廠正在為獨立的嵌入式應用開發電阻式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。 來源：Everspin

圖3：ReRAM。 來源：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：「鐵電存儲器僅使用電場來寫入應用程序，沒有電流流過。所有其他新出現的存儲器，如電阻式RAM、相變存儲器和MRAM都是通過驅動存儲器單元的電流來寫入的。

FRAM利用鐵電晶體的鐵電效應實現數據存儲。鐵電效應是指在鐵電晶體上施加一定的電場時，晶體中心原子在電場的作用下運動，並達到一種穩定狀態；當電場從晶體移走後，中心原子會保持在原來的位置。這是由於晶體的中間層是一個高能階，中心原子在沒有獲得外部能量時不能越過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。由於鐵電效應是鐵電晶體所固有的一種偏振極化特性，與電磁作用無關，所以FRAM存儲器的內容不會受到外界條件（諸如磁場因素）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限的耐用性，非常適合各種嵌入式晶元應用。

通常，FRAM由基於鋯鈦酸鉛（PZT）的薄層鐵電薄膜組成。 Cypress說，PZT中的原子在電場中改變極性，從而形成功率高效的二進位開關。

圖4：傳統的FRAM 來源：Cypress

然而，FRAM有一些問題。穆勒說：「經典的FRAM從材料的角度來看是異乎尋常的。由於只有平面電容器可以使用，傳統的鐵電薄膜不可擴展，FRAM還沒有超出130納米技術節點。這阻止了傳統FRAM被廣泛採用。」

由於FeFET與傳統FRAM不同，支持者希望解決這些問題。 幾年前，這個行業偶然有了一個新的發現，即氧化鉿中的鐵電性質。 研究人員發現，在摻雜氧化鉿的過程中，晶相可以穩定。 FMC公司稱：「在這個晶相中，氧化鉿的氧原子可以存在於兩個穩定的位置，根據外加電場的極性向上或向下移動。」

氧化鉿是一種廣為人知的材料。 一段時間以來，晶元製造商已經使用氧化鉿作為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。 對於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建新的器件結構。

例如，在FMC的技術中，最理想的是採用現有的晶體管。然後使用沉積工藝，將硅摻雜的氧化鉿材料沉積到晶體管的柵極疊層中，產生鐵電性質。 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技術成為可能。

Müller說：「在FeFET中，永久偶極子形成在本身內柵介質，將鐵電晶體管的閾值電壓分成兩個穩定的狀態，因此，二進位狀態可以存儲在FeFET中，就像在快閃記憶體單元中做的一樣。」

圖5：FeFET（n型）： 當鐵電極化向下（左）時，電子反轉溝道區域，永久地使FeFET進入「導通」狀態。 如果極化點朝上（中間），則永久積累，並且FeFET處於「關」狀態。 來源：FMC。

從理論上講，該技術是令人信服的。「每個尖端晶體管都有氧化鉿。這是門電介質。如果巧妙地做到這一點，並改性氧化鉿，實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電源時會失去一個狀態。斷電後仍然可以保持狀態。」

FeFET仍處於研發階段，尚未準備好迎接黃金時代。 但如果確實有效的話，消費者在下一代的快閃記憶體世界中還有另一種選擇。 3D XPoint、FRAM、MRAM、ReRAM等也在備選之中。

那麼，哪種新的內存技術會佔上風呢？ 這並不清楚，因為沒有一個內存可以處理所有的要求。 每個新的內存類型都有它的特點。 新型存儲器正在從傳統的存儲器中蠶食一些市場。但總的來說，傳統的DRAM和NAND繼續在存儲器層次上佔主導地位。

圖6：內存金字塔 來源：Imec

嵌入式內存戰爭

在儲存空間方面，新興戰場正在嵌入式市場形成。如今的MCU在同一晶元上集成了多個組件，如CPU、SRAM和嵌入式存儲器。 CPU負責執行指令。晶元上集成了SRAM以存儲數據。

嵌入式存儲器（如EEPROM和NOR快閃記憶體）用於代碼存儲和其他功能。Objective Analysis分析師Jim Handy在最近的一次採訪中表示：「用EEPROM，每一個位元組都是兩個晶體管。每個位元組都可以被擦除或重新編程。在每個模塊上（NOR快閃記憶體），我們有一個巨大的晶體管對所有位元組進行擦除。與每位元組兩個晶體管相比，巨大的晶體管仍然可以節省大量的晶元空間。」

嵌入式快閃記憶體（eFlash）功能強大，非常適合工業應用。 例如，汽車原始設備製造商有嚴格的要求，而NOR也符合這個要求。 聯華電子美國銷售副總裁Walter Ng表示：「汽車MCU是受性能驅動的，這也是eFlash的推動力。

NOR有一些限制，因為寫入速度很慢。 NOR從40nm移動到28nm也變得越來越昂貴。目前還不清楚NOR能否擴展到28nm以上。

下一代快閃記憶體的供應商希望填補空白。新興的RAM似乎提供了一個可能的解決方案。但是，汽車界如何接受這樣的技術還有待觀察。」

不管怎樣，嵌入式內存市場正在升溫。幾家代工廠如GlobalFoundries，三星，台積電和聯電正在開發嵌入式STT-MRAM。 另外，中芯國際，台積電和聯電也正在開發嵌入式ReRAM。

FeFET是這個領域的新產物。 2009年，Fraunhofer，GlobalFoundries和NaMLab開始探索FeFET。 後來，FMC從NaMLab中獨立出來。

2014年，該小組展示了一個基於28nm CMOS工藝的簡單FeFET陣列。 然後，在最近的IEDM會議上，GlobalFoundries，Fraunhofer，NaMLab和FMC提出了新的結果，使FeFET更接近商業化。

該小組在22納米FD-SOI工藝中展示了嵌入式FeFET。 GlobalFoundries首席技術官Gary Patton表示：「製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32MB的陣列組成，其編程/擦除脈衝在4.2V的10ns範圍內。 它具有高達300°C的保溫率。

最初，FeFET的目標是針對消費類應用的嵌入式非易失性存儲器市場。「寫入速度比傳統的eFlash要快兩個數量級左右。 我們在10ns，regime在1ms至10ms。」FMC的穆勒說。

技術是有可能實現的。 Imec傑出的技術人員Jan Van Houdt說：「他們比其他人走得更遠。 他們現在就推進者嵌入式方案，這可能會起作用。」

在溫度要求更嚴格的汽車嵌入式存儲器領域，FeFET面臨著艱難的競爭。汽車OEM廠商確實正在研究STT-MRAM，因為該技術可以承受更高的溫度。

接下來呢？

就其本身而言, Imec 正在兩條方向上發展鐵電技術。一個包含一種新型的非易失性的類似 DRAM, 而另一個是獨立的存儲設備, 類似於3D NAND。

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

在 DRAM 的垂直電容器結構中, 有一個金屬-絕緣體-金屬的材料堆棧（metal-insulator-metal ：MIM）。在 MIM 堆棧中, 高K材料夾在兩個二氧化鋯層之間，所以這種電容器有時也被稱為 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下類似於二氧化鋯。

利用以上技術, Imec 正在研發具有非易失性的鐵電類似 DRAM 裝置, 它不需要進行刷新操作。

當然過程中不乏挑戰。對於DRAM，在任一節點上縮放垂直1T1C 電容器都很難。垂直1T1C 電容器的縮放在每個節點上都很難進行。 因為鐵電類似 DRAM 裝置也具有1T1C 細胞結構，所以這個操作不會變得簡單。

圖7： DRAM 路線圖 來源：Imec

另一種可能性是，該行業可以開發具有非易失性的單晶體管（1T）類DRAM器件。 這是一個無電容器的鐵電DRAM類器件。但即便使用鐵電鉿，鐵電DRAM也面臨一些挑戰。「問題是它有一些限制。DRAM幾乎擁有無限的續航能力。通過鐵電體這一點已經得到證實。」Imec公司的Van Houdt說。

Imec也在追求類似3D NAND的鐵電器件技術。這種技術有時被稱為3D FeNAND，採用基於3D NAND的製造流程。

Van Houdt說：「它是低電壓和非易失性的。功耗也要低得多，因為它是一個高k材料，它會更快，所以要比NAND驅動更多的電流，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，該器件可能會出於圖6的儲存器等級金字塔的某個地方。但是技術距離進入商業市場還會有五到十年的時間。

不過還存在其他的問題。 例如，在IEDM的一篇論文中，SK Hynix，Lam及其它公司發現，由於外部問題，鐵電鉿材料的實際開關速度比預期的要慢。

SK Hynix，Lam及其它公司發現了一種控制硅摻雜氧化鉿晶粒尺寸的方法，這反過來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性質的受控納米晶體組成的，它是普通Si：HfO2的一半，並且疇轉換速度比普通晶粒大小的Si：HfO2快三倍。」

什麼是NC-FET？

鐵電鉿氧化物還有其他用途。一段時間以來，加州大學伯克利分校和其他一些學院繼續研究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高級總監Mike Chudzik說：「這就是樂趣所在，只是一個簡單的鐵電介質交換。我會把它沿著FET隧道布置。」

NC-FET具有亞閾值斜率，應用在低功耗領域。它將與隧道場效應管（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，鐵電就像個電壓放大器。 你放一個電壓，因為它相互作用的方式，它就會放大電壓。 這就是為什麼你得到這個增強的亞閾值斜率。」Chudzik說。

基於這項技術, 加州大學伯克利分校正在探索將現今的 FinFET 和 FD SOI 技術擴展到2nm。他們將新的技術稱作NC-finFET 和NC-FD-SOI。

可以肯定的是, NC FET仍處於發展初期。Chudzik 說: 「它的研究雖然充滿可能性和樂趣, 但也有很多懸而未決的問題。」

但從短期來看，FeFET是這些有前途的材料組合中最可能先實現的技術，這反過來又可能在這個領域內掀起一股研發浪潮。否則就像其他技術一樣，也會被晾在路邊。

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