在所(suǒ)熟知(zhī)的材(cái)料(liào)之(zhī)中，鐵(tiě)電柵(zhà)場(cháng)效應(yīng)晶體管(guǎn)(Ferroelectric gate field-effect transistors, FeFETs)做新一代閃存是很(hěn)有前途的
。

通常(cháng)，鐵電(diàn)體與一種(zhǒng)存(cún)儲器類型——鐵電(diàn)存(cún)儲(chǔ)器ferroelectric RAMs (FRAMs) 有關
。 20世紀(jì)90年(nián)代後(hòu)期(qī)，由幾家供應(yīng)商推(tuī)出(chū)的FRAM是低功(gōng)耗，非(fēi)易(yì)失性(xìng)設(shè)備(bèi)，但(dàn)它們(mén)也於小眾應用，無法(fǎ)在130納(nà)米以上擴展
。

FRAM繼(jì)續生產的同時，業(yè)界也在開(kāi)發(fā)另(lìng)一(yī)種類(lèi)型的(dí)鐵(tiě)電存儲器
。 FeFET及(jí)其相關技術沒(méi)有使用傳統(tǒng)FRAM使用(yòng)的(dí)材料，而是利用氧化(huà)鉿（也稱為鐵電鉿(hā)氧化物(wù)）的(dí)鐵電特性(xìng)
。（FeFET和(hé)邏輯(jí)晶(jīng)體管FinFET不同）
。

不過，就研(yán)發階(jiē)段而論，FeFET本身(shēn)並不是(shì)一(yī)個新器件(jiàn)
。對(duì)於FeFET，其(qí)主要原(yuán)理是(shì)在現有的邏(luó)輯晶體管上(shàng)采用基於氧化鉿基的(dí)High-K(高(gāo)K)柵電介(jiè)質(zhì)+Metal Gate(金屬柵)電極(jí)疊(dié)層(céng)技術，然後(hòu)將柵極絕緣體(tǐ)改性成具有鐵(tiě)電(diàn)性(xìng)質
。得(dé)到的(dí)FeFET晶體管(guǎn)具(jù)有相同的(dí)結(jié)構，但是具(jù)有(yǒu)可擴展，低功(gōng)率和非易(yì)失性(xìng)等特(tè)性
。從理論上講，應(yīng)該比(bǐ)當前的(dí)嵌(qiàn)入(rù)式閃存更好(hǎo)
。

圖(tú)1：FeFET製作流(liú)程(chéng)
。 來源：Ferroelectric Memory Co.

很多研究(jiū)者(zhě)正(zhèng)在研究不同類(lèi)型的(dí)基於FeFET的非(fēi)易(yì)失性器(qì)件
。這(zhè)聽起來(lái)是(shì)一個簡單的概(gài)念(niàn)，但(dàn)是有(yǒu)幾(jī)個關(guān)鍵挑戰，比如(rú)集成，數(shù)據(jù)保(bǎo)存，可靠性和成本(běn)等(děng)問(wèn)題(tí)
。 Forward Insights的(dí)分(fēn)析(xī)師(shī)Greg Wong說(shuō)：“FeFETs是(shì)很有前(qián)景，但(dàn)目前(qián)為(wéi)時尚(shàng)早
。”

當然還(huán)有其他(tā)的挑(tiāo)戰
。Ferroelectric Memory Co.（FMC）公(gōng)司正在開發FeFET，其執(zhí)行(háng)官StefanMüller表(biǎo)示：“對(duì)於(yú)新興(xīng)的(dí)存儲器(qì)技術，難的部分是要客(kè)戶確信你的解(jiě)決(jué)方案真實(shí)可(kě)靠
。”

盡管如此，FeFET及其相關技術正在(zài)蒸蒸(zhēng)日上(shàng)，以下(xià)是(shì)其(qí)the most recent進(jìn)展：

•GlobalFoundries，FMC，NaMLab，Fraunhofer等已(yǐ)經在22納(nà)米(mǐ)FD-SOI工藝(yì)中演示了一種(zhǒng)嵌入式(shì)非易(yì)失性(xìng)FeFET，取得了(liǎo)一(yī)個重要裏程碑(bēi)
。 雖(suī)然(rán)沒(méi)有生產(chǎn)時(shí)間(jiān)表(biǎo)，但該技(jì)術(shù)將在(zài)2019年獲得(dé)認證(zhèng)
。

•Imec正在開(kāi)發一種(zhǒng)方案，用鐵(tiě)電(diàn)鉿氧化物(wù)取代目(mù)前的DRAM材料(liào)，創造(zào)出(chū)一類新的(dí)非易失性DRAM類(lèi)存(cún)儲器
。 此(cǐ)外(wài)，Imec也正在(zài)開(kāi)發類似(sì)於3D NAND的堆疊(dié)式鐵電(diàn)器件
。

•SK Hynix，Lam Research，Versum等(děng)近(jìn)發表(biǎo)了(liǎo)一篇(piān)關於這類(lèi)器件的開關機製的論(lùn)文，其中一個小組稱之為(wéi)1T-FeRAM和一(yī)個(gè)3D FeNAND
。

•越來越(yuè)多(duō)的團隊正在(zài)探(tàn)索下一(yī)代基於鐵電(diàn)鉿氧化(huà)物的邏輯晶體管(guǎn)類(lèi)型，通常被稱(chēng)為(wéi)負電容(róng)場效(xiào)應晶(jīng)體管(guǎn)（NC-FET）
。 NC-FET是(shì)3nm及以上晶(jīng)體(tǐ)管(guǎn)的潛(qián)在技術(shù)
。

3D FeNAND，鐵電DRAM和(hé)NC-FET還處(chǔ)於(yú)研(yán)發的(dí)早(zǎo)期階(jiē)段(duàn)，這些技術是否(fǒu)能(néng)夠(gòu)投入(rù)生產還言之過早
。 GlobalFoundries，FMC等企(qǐ)業(yè)是(shì)開發(fā)的(dí)FeFET的大試(shì)驗場(cháng)
。

如果(guǒ)它成(chéng)功了(liǎo)，FeFET將(jiāng)進入下(xià)一代內存市場這(zhè)個(gè)擁擠的(dí)領域
。而(ér)其他新的(dí)存(cún)儲器(qì)類型，如(rú)3D XPoint，Magnetoresistive RAM，ReRAM甚至傳統的FRAM都正在出貨(huò)中(zhōng)
。很(hěn)大(dà)程度上(shàng)，FeFET將與(yǔ)這些技術中的某些類(lèi)型(xíng)展(zhǎn)開競(jìng)爭
。

下一(yī)代內存(cún)競賽

多年(nián)來業界(jiè)一(yī)直在開發下(xià)一(yī)代(dài)內(nèi)存類型，理由很簡單(dān)：傳統(tǒng)的(dí)內存有(yǒu)各(gè)種各(gè)樣的限(xiàn)製(zhì)
。

例(lì)如，用作係統主(zhǔ)存(cún)儲器的DRAM快速便宜(yí)，但(dàn)DRAM在係統關閉電(diàn)源時(shí)會丟(diū)失數據
。

NAND和(hé)NOR閃存也(yě)很便(biàn)宜(yí)
。 Flash是(shì)非易(yì)失(shī)性(xìng)的，即(jí)使在(zài)電源關閉(bì)的情況下也可以存儲數據
。但是，在(zài)操作中，閃(shǎn)存會(huì)經(jīng)歷幾個(gè)讀/寫周期，這(zhè)是(shì)一(yī)個(gè)緩慢(màn)的(dí)過(guò)程
。

這正是新閃存(cún)適用的地(dì)方
。一般來(lái)說(shuō)，下一代存儲(chǔ)器(qì)類型(xíng)是快速(sù)的，非(fēi)易失性的並(bìng)可以提供(gōng)無(wú)限(xiàn)的(dí)續航(háng)能力
。它(tā)們(mén)還提供可變(biàn)位，無擦除(chú)的功(gōng)能(néng)，使其成為DRAM和閃存的(dí)理想替(tì)代品(pǐn)
。但是這些(xiē)新的記憶(yì)也依賴(lài)於異域材料(liào)和復雜的轉換機製，所以(yǐ)他們(mén)需要(yào)花費(fèi)更(gēng)長的時(shí)間(jiān)來(lái)開發
。與(yǔ)此同時(shí)，行(háng)業(yè)不斷擴(kuò)大DRAM和閃(shǎn)存規模，使得新的存(cún)儲器類(lèi)型(xíng)難以(yǐ)在市場(cháng)上站(zhàn)穩腳(jiǎo)跟
。

不(bù)過，行(háng)業內一些新類型的(dí)內存正在開(kāi)始(shǐ)增加(jiā)
。這裏(lǐ)有一個(gè)簡單的圖(tú)景：

•英(yīng)特爾和美光正在推出(chū)基(jī)於(yú)相變(biàn)存儲器的下一(yī)代3D XPoint技術(shù)
。3D XPoint是一個獨(dú)立的(dí)器件，用於加速(sù)固態(tài)硬盤(pán)（SSD）的操作
。

•Everspin和其他公司(sī)正在(zài)開發自(zì)旋轉(zhuǎn)矩磁阻RAM（STT-MRAM）的(dí)下一(yī)代(dài)MRAM技術(shù)
。 STT-MRAM用(yòng)於(yú)嵌(qiàn)入式或獨立應用，利(lì)用(yòng)電(diàn)子自(zì)旋產生的(dí)磁性(xìng)在(zài)芯(xīn)片(piàn)中(zhōng)提(tí)供(gōng)非(fēi)易(yì)失性
。

•幾家(jiā)供(gōng)應商和(hé)代工廠(chǎng)正在為(wéi)獨立的嵌(qiàn)入式(shì)應用開發電阻式(shì)RAM（ReRAM）
。 在ReRAM中(zhōng)，將電壓(yā)施加到材料疊(dié)層(céng)上，從(cóng)而記(jì)錄電(diàn)阻變(biàn)化產生(shēng)的數(shù)據
。

•賽普拉(lā)斯(sī)，富士通，鬆下，德(dé)州(zhōu)儀器(qì)和其他(tā)公(gōng)司正在推(tuī)出(chū)帶嵌入式(shì)FRAM的(dí)微控製器(qì)（MCU）
。

圖2：自(zì)旋扭矩MRAM技術(shù)
。 來源(yuán)：Everspin

圖(tú)3：ReRAM
。 來源：Adesto

FRAM被(bèi)廣(guǎng)泛誤解(jiě)，因(yīn)為(wéi)鐵(tiě)電(diàn)材料不(bù)是(shì)鐵磁性的(dí)
。FMC公(gōng)司的Müller解釋說(shuō)：“鐵(tiě)電(diàn)存儲(chǔ)器(qì)僅(jǐn)使用電場(cháng)來寫入應(yīng)用程序，沒(méi)有電(diàn)流(liú)流過(guò)
。所(suǒ)有其(qí)他新出(chū)現的(dí)存儲器(qì)，如(rú)電阻式RAM，相變存儲器和MRAM都(dū)是通過驅(qū)動存儲器單元(yuán)的(dí)電(diàn)流(liú)來寫(xiě)入的
。

FRAM利(lì)用鐵(tiě)電晶體(tǐ)的鐵(tiě)電(diàn)效(xiào)應實(shí)現數(shù)據存(cún)儲
。鐵電(diàn)效(xiào)應是指在(zài)鐵電晶(jīng)體(tǐ)上(shàng)施加一(yī)定(dìng)的電(diàn)場時(shí)，晶體(tǐ)中心(xīn)原(yuán)子在(zài)電場的作用下運(yùn)動，並達到一(yī)種穩定(dìng)狀態；當電(diàn)場(cháng)從(cóng)晶體(tǐ)移走後，中(zhōng)心原子會保持在(zài)原來(lái)的位(wèi)置(zhì)
。這是由於(yú)晶(jīng)體(tǐ)的(dí)中間(jiān)層是一(yī)個高(gāo)能階，中心原子在(zài)沒有獲得(dé)外部能量時(shí)不(bù)能越過高(gāo)能階到(dào)達(dá)另一(yī)穩定位(wèi)置，因此FRAM保持(chí)數(shù)據(jù)不需(xū)要電壓，也(yě)不(bù)需(xū)要像DRAM一樣周(zhōu)期性刷新
。由於鐵(tiě)電效(xiào)應是(shì)鐵電(diàn)晶體所固有的(dí)一種偏振極(jí)化特性(xìng)，與(yǔ)電磁(cí)作(zuò)用(yòng)無關(guān)，所以(yǐ)FRAM存儲器(qì)的(dí)內(nèi)容不(bù)會(huì)受(shòu)到(dào)外界(jiè)條(tiáo)件（諸(zhū)如(rú)磁(cí)場因(yīn)素）的影響(xiǎng)，能夠同普(pǔ)通ROM存(cún)儲器(qì)一樣使(shǐ)用，具有非(fēi)易失性(xìng)的存儲特性(xìng)和無限(xiàn)的耐(nài)用(yòng)性(xìng)，非常(cháng)適合各種嵌(qiàn)入式芯(xīn)片應用(yòng)
。

通常(cháng)，FRAM由(yóu)基(jī)於(yú)鋯鈦(tài)酸鉛（PZT）的(dí)薄層(céng)鐵電(diàn)薄(báo)膜(mó)組成
。 Cypress說，PZT中(zhōng)的原子在(zài)電場(cháng)中改(gǎi)變極性(xìng)，從而(ér)形(xíng)成功率的(dí)二進製(zhì)開關
。

圖(tú)4：傳統(tǒng)的FRAM 來(lái)源(yuán)：Cypress

然而(ér)，FRAM有(yǒu)一(yī)些(xiē)問(wèn)題
。穆勒說：“經(jīng)典(diǎn)的(dí)FRAM從(cóng)材(cái)料的(dí)角度(dù)來看(kàn)是異(yì)乎(hū)尋(xún)常(cháng)的
。由(yóu)於隻有(yǒu)平(píng)麵電(diàn)容器(qì)可以(yǐ)使(shǐ)用，傳統的鐵電薄(báo)膜不(bù)可擴展，FRAM還沒有(yǒu)超出(chū)130納(nà)米技術節點(diǎn)
。這阻止了傳統(tǒng)FRAM被(bèi)廣泛采用(yòng)
。”

由(yóu)於FeFET與傳(chuán)統FRAM不(bù)同，支持(chí)者希望(wàng)解(jiě)決這些問(wèn)題
。 幾年(nián)前，這(zhè)個(gè)行業偶(ǒu)然(rán)有了(liǎo)一(yī)個(gè)新(xīn)的發現，即氧化(huà)鉿(hā)中(zhōng)的鐵電性(xìng)質
。 研究(jiū)人員發現(xiàn)，在(zài)摻雜氧(yǎng)化(huà)鉿的過(guò)程中，晶(jīng)相可(kě)以穩(wěn)定
。 FMC公(gōng)司(sī)稱(chēng)：“在這個(gè)晶相中，氧化鉿(hā)的氧原子可(kě)以存(cún)在於(yú)兩(liǎng)個穩定的位(wèi)置，根(gēn)據(jù)外加電(diàn)場的(dí)極(jí)性(xìng)向(xiàng)上或向(xiàng)下(xià)移(yí)動
。”

氧化(huà)鉿(hā)是一種(zhǒng)廣為(wéi)人知的(dí)材料(liào)
。 一段(duàn)時(shí)間以(yǐ)來，芯片製(zhì)造商已經使(shǐ)用氧化鉿(hā)作為28nm及以(yǐ)上邏輯器件中(zhōng)的高k /金(jīn)屬(shǔ)柵極(jí)結構的柵(zhà)極堆疊(dié)材料
。 對於FeFET，主要是利用(yòng)鐵電鉿(hā)氧(yǎng)化物(wù)的特性，而(ér)不是使(shǐ)用特殊材料創(chuàng)建新的器件(jiàn)結構(gòu)
。

例如，在(zài)FMC的技術(shù)中(zhōng)，The ideal的(dí)是采用(yòng)現(xiàn)有的晶體(tǐ)管(guǎn)
。然(rán)後(hòu)使用沉積(jī)工(gōng)藝，將矽(guī)摻雜(zá)的氧(yǎng)化(huà)鉿材(cái)料(liào)沉積到晶體(tǐ)管的柵(zhà)極(jí)疊層中(zhōng)，產生鐵電性質
。 FMC的方(fāng)案也消(xiāo)除(chú)了(liǎo)對(duì)電容(róng)器(qì)的(dí)需(xū)求，使單晶體(tǐ)管(guǎn)存(cún)儲(chǔ)單元或(huò)1T-FeFET技術(shù)成(chéng)為(wéi)可能(néng)
。

Müller說(shuō)：“在FeFET中，permanent偶(ǒu)極(jí)子形成(chéng)在本身(shēn)內柵(zhà)介質，將鐵電(diàn)晶(jīng)體管(guǎn)的閾值電壓(yā)分成兩個(gè)穩(wěn)定(dìng)的狀態，因此，二(èr)進製(zhì)狀(zhuàng)態可(kě)以存儲在FeFET中(zhōng)，就(jiù)像在(zài)閃存(cún)單(dān)元中做的一(yī)樣
。”

圖(tú)5：FeFET（n型）： 當(dāng)鐵(tiě)電極(jí)化(huà)向下（左(zuǒ)）時，電(diàn)子反(fǎn)轉(zhuǎn)溝道(dào)區(qū)域，permanently 使(shǐ)FeFET進入(rù)“導通”狀態
。 如果極(jí)化點(diǎn)朝上(shàng)（中間），則(zé)permanently積累，並(bìng)且FeFET處於(yú)“關”狀態
。 來(lái)源：FMC
。

從(cóng)理(lǐ)論(lùn)上講(jiǎng)，該(gāi)技(jì)術是(shì)令人信(xìn)服的(dí)
。“每個(gè)晶(jīng)體(tǐ)管(guǎn)都(dū)有氧化鉿
。這是門(mén)電(diàn)介質(zhì)
。如果巧(qiǎo)妙地做到這一(yī)點，並改(gǎi)性(xìng)氧化鉿，實際上可(kě)以(yǐ)將邏輯晶(jīng)體管(guǎn)轉(zhuǎn)換為非(fēi)易失性晶(jīng)體(tǐ)管，而這(zhè)種晶體(tǐ)管(guǎn)在斷開電(diàn)源時會(huì)失去一個狀態
。斷(duàn)電後仍然(rán)可以保持(chí)狀(zhuàng)態
。”

FeFET仍處於(yú)研發階(jiē)段，尚(shàng)未準備好(hǎo)迎接黃金時(shí)代
。 但如果(guǒ)確(què)實有效(xiào)的話(huà)，消費者在(zài)下(xià)一代(dài)的閃存(cún)世界(jiè)中還有另一種(zhǒng)選擇(zé)
。 3D XPoint，FRAM，MRAM，ReRAM等也(yě)在(zài)備(bèi)選(xuǎn)之中(zhōng)
。

那(nà)麼，哪種(zhǒng)新的(dí)內存技術(shù)會占上(shàng)風呢(ní)
？ 這(zhè)並不(bù)清楚，因(yīn)為沒(méi)有一個內存(cún)可(kě)以處(chǔ)理所有(yǒu)的要求
。 每個新的內存類(lèi)型(xíng)都(dū)有(yǒu)它(tā)的(dí)特點
。 新(xīn)型(xíng)存儲(chǔ)器(qì)正在從(cóng)傳統的存(cún)儲(chǔ)器(qì)中(zhōng)蠶食一些(xiē)市場
。但總的(dí)來說，傳統(tǒng)的DRAM和(hé)NAND繼(jì)續(xù)在存儲器(qì)層(céng)次上占(zhān)主導地(dì)位
。

圖6：內存(cún)金(jīn)字塔(tǎ) 來源：Imec

嵌(qiàn)入式(shì)內(nèi)存(cún)戰(zhàn)爭

在儲存空(kōng)間(jiān)方(fāng)麵(miàn)，新興戰場(cháng)正(zhèng)在嵌入(rù)式(shì)市(shì)場形成(chéng)
。如今(jīn)的(dí)MCU在同(tóng)一(yī)芯(xīn)片上集成了多個組件(jiàn)，如CPU，SRAM和嵌(qiàn)入(rù)式存儲(chǔ)器(qì)
。 CPU負責執行(háng)指(zhǐ)令(líng)
。芯片(piàn)上集(jí)成(chéng)了SRAM以存(cún)儲數據
。

嵌入式(shì)存儲器(qì)（如(rú)EEPROM和NOR閃存）用於代碼存儲(chǔ)和其(qí)他功(gōng)能(néng)
。Objective Analysis分(fēn)析(xī)師Jim Handy在(zài)近的(dí)一次(cì)采(cǎi)訪(fǎng)中(zhōng)表示：“用(yòng)EEPROM，每一個(gè)字(zì)節(jié)都是(shì)兩(liǎng)個(gè)晶(jīng)體管(guǎn)
。每(měi)個(gè)字節都可以被擦除或(huò)重(zhòng)新編程(chéng)
。在(zài)每(měi)個模塊上(shàng)（NOR閃(shǎn)存），我們有(yǒu)一個巨大(dà)的晶體管對所(suǒ)有字節進行擦除(chú)
。與每字(zì)節兩(liǎng)個(gè)晶(jīng)體管相比，巨大的(dí)晶(jīng)體管仍(réng)然可以節省大(dà)量(liáng)的芯片空(kōng)間(jiān)
。”

嵌入(rù)式閃存（eFlash）功能(néng)*，非(fēi)常適合工(gōng)業應(yīng)用
。 例(lì)如(rú)，汽車原始設備製(zhì)造(zào)商有嚴格的要(yào)求(qiú)，而NOR也符合這個(gè)要(yào)求
。 聯華(huá)電(diàn)子美國銷售副(fù)總裁(cái)Walter Ng表示：“汽車(chē)MCU是受性能(néng)驅(qū)動的，這也(yě)是eFlash的推(tuī)動力(lì)
。

NOR有(yǒu)一些(xiē)限製(zhì)，因(yīn)為寫入(rù)速(sù)度很慢
。 NOR從(cóng)40nm移(yí)動到(dào)28nm也(yě)變得(dé)越來越(yuè)昂(áng)貴(guì)
。目(mù)前(qián)還不清楚NOR能(néng)否(fǒu)擴展到(dào)28nm以上
。

下一代閃存(cún)的供(gōng)應(yīng)商希(xī)望*
。新(xīn)興的RAM似乎提供(gōng)了(liǎo)一個(gè)可能的解決方案(àn)
。但(dàn)是(shì)，汽車界(jiè)如(rú)何(hé)接受這(zhè)樣的技術還(huán)有待(dài)觀(guān)察
。”

不(bù)管(guǎn)怎(zěn)樣，嵌入式內存市場(cháng)正在(zài)升溫
。幾家(jiā)代工廠如GlobalFoundries，三星，台(tái)積電和(hé)聯(lián)電正在開發(fā)嵌(qiàn)入式(shì)STT-MRAM
。 另外，中芯，台(tái)積(jī)電(diàn)和聯電也正在(zài)開發(fā)嵌(qiàn)入式ReRAM
。

FeFET是這(zhè)個領(lǐng)域的新產物
。 2009年，Fraunhofer，GlobalFoundries和(hé)NaMLab開(kāi)始(shǐ)探(tàn)索FeFET
。 後來(lái)，FMC從NaMLab中獨(dú)立(lì)出來(lái)
。

2014年，該小組(zǔ)展示(shì)了(liǎo)一個基(jī)於28nm CMOS工(gōng)藝的簡單FeFET陣(zhèn)列
。 然(rán)後，在(zài)近(jìn)的(dí)IEDM會議上(shàng)，GlobalFoundries，Fraunhofer，NaMLab和FMC提出(chū)了新的結(jié)果，使FeFET更接(jiē)近(jìn)商業(yè)化(huà)
。

該小組(zǔ)在22納(nà)米FD-SOI工(gōng)藝中展示(shì)了嵌入(rù)式FeFET
。 GlobalFoundries技術官(guān)Gary Patton表示(shì)：“製(zhì)造(zào)非(fēi)常密(mì)集(jí)內存的方(fāng)法相對成(chéng)本較(jiào)低(dī)
。”

根(gēn)據(jù)IEDM論(lùn)文，FeFET的單元尺(chǐ)寸小到(dào)0.025μm²
。 該器件由(yóu)一個32MB的陣列組成(chéng)，其(qí)編(biān)程/擦(cā)除脈衝在4.2V的10ns範(fàn)圍內(nèi)
。 它具(jù)有高達300°C的(dí)保溫(wēn)率(shuài)
。

初，FeFET的(dí)目(mù)標(biāo)是針對消費類應(yīng)用(yòng)的(dí)嵌(qiàn)入(rù)式非(fēi)易失(shī)性存(cún)儲(chǔ)器(qì)市場(cháng)
。“寫(xiě)入速(sù)度(dù)比(bǐ)傳統的eFlash要快(kuài)兩個(gè)數(shù)量級左(zuǒ)右
。 我們(mén)在(zài)10ns，regime在(zài)1ms至(zhì)10ms
。”FMC的穆(mù)勒說(shuō)
。

技術(shù)是(shì)有可能(néng)實現(xiàn)的
。 Imec傑出的技(jì)術(shù)人員Jan Van Houdt說：“他(tā)們比其他人走(zǒu)得(dé)更(gēng)遠(yuǎn)
。 他們現(xiàn)在就(jiù)推進者嵌入式方案，這可能會(huì)起(qǐ)作用(yòng)
。”

在溫度(dù)要求(qiú)更嚴格的汽車嵌入式(shì)存(cún)儲器領域，FeFET麵臨著艱難(nán)的(dí)競爭
。汽(qì)車OEM廠商(shāng)確實正在(zài)研(yán)究(jiū)STT-MRAM，因(yīn)為該技(jì)術(shù)可(kě)以承受(shòu)更(gēng)高(gāo)的溫度
。

接下來(lái)呢
？

就(jiù)其(qí)本身(shēn)而言, Imec 正在(zài)兩條(tiáo)方向上(shàng)發展(zhǎn)鐵(tiě)電技術
。一個包含一種新(xīn)型(xíng)的(dí)非易失(shī)性(xìng)的類(lèi)似 DRAM, 而另(lìng)一個是獨立的存儲設備(bèi), 類(lèi)似於3D NAND
。

DRAM 是(shì)基於1T1C 的細胞(bāo)結構
。在(zài)操(cāo)作中, 當(dāng)晶體管關閉時, 電容(róng)器中的(dí)電荷(hé)會泄漏(lòu)或放(fàng)電(diàn)
。因此(cǐ), 電容(róng)器(qì)必須(xū)每(měi)64毫(háo)秒(miǎo)刷新一次, 即(jí)使這會消耗(hào)係統(tǒng)中(zhōng)的(dí)電能
。

在 DRAM 的垂(chuí)直(zhí)電容(róng)器結(jié)構(gòu)中(zhōng), 有一個(gè)金(jīn)屬-絕(jué)緣體-金屬(shǔ)的(dí)材(cái)料(liào)堆棧（metal-insulator-metal ：MIM）
。在(zài) MIM 堆棧中, 高K材料(liào)夾在兩個二氧(yǎng)化鋯(gào)層(céng)之間，所以(yǐ)這(zhè)種電容器有時(shí)也(yě)被(bèi)稱為 ZAZ 電(diàn)容器
。

Imec 和(hé)其他(tā)機構都(dū)在探索(suǒ)把(bǎ)DRAM 中(zhōng)的(dí)二氧化鋯(gào)材料用鐵(tiě)電氧化(huà)鉿代替，因(yīn)為(wéi)氧(yǎng)化鉿在鐵(tiě)電狀(zhuàng)態(tài)下類似於(yú)二氧化鋯(gào)
。

利(lì)用以上技(jì)術(shù), Imec 正在研(yán)發具有(yǒu)非(fēi)易失性的鐵電類似(sì) DRAM 裝置(zhì), 它不(bù)需要(yào)進行(háng)刷(shuā)新操(cāo)作
。

當然(rán)過程(chéng)中不(bù)乏(fá)挑戰
。對(duì)於DRAM，在(zài)任一節點上(shàng)縮放(fàng)垂(chuí)直(zhí)1T1C 電(diàn)容器(qì)都很難(nán)
。垂直1T1C 電容器的(dí)縮放在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上都(dū)很(hěn)難進行
。 因(yīn)為鐵電類似(sì) DRAM 裝置(zhì)也(yě)具有(yǒu)1T1C 細(xì)胞結(jié)構(gòu)，所以這個操作(zuò)不會變得簡單(dān)
。

圖7： DRAM 路(lù)綫(xiàn)圖 來源：Imec

另一(yī)種可能(néng)性是(shì)，該(gāi)行業可以(yǐ)開(kāi)發(fā)具有非易失性的單晶體管(guǎn)（1T）類(lèi)DRAM器件(jiàn)
。 這是(shì)一(yī)個(gè)無(wú)電(diàn)容器(qì)的(dí)鐵(tiě)電DRAM類(lèi)器件
。但(dàn)即便使(shǐ)用鐵電(diàn)鉿，鐵電DRAM也(yě)麵臨(lín)一些挑戰(zhàn)
。“問(wèn)題(tí)是(shì)它(tā)有一些限(xiàn)製
。DRAM幾乎擁(yōng)有無限(xiàn)的(dí)續(xù)航(háng)能力
。通(tōng)過鐵(tiě)電體(tǐ)這一(yī)點(diǎn)已經得(dé)到(dào)證實(shí)
。”Imec公司(sī)的Van Houdt說
。

Imec也(yě)在追求(qiú)類似(sì)3D NAND的(dí)鐵電器(qì)件(jiàn)技術
。這種(zhǒng)技術有時(shí)被(bèi)稱為3D FeNAND，采(cǎi)用(yòng)基於3D NAND的製(zhì)造流程(chéng)
。

Van Houdt說(shuō)：“它(tā)是低電壓(yā)和(hé)非(fēi)易(yì)失性的(dí)
。功(gōng)耗也(yě)要(yào)低得多，因(yīn)為它(tā)是(shì)一(yī)個(gè)高(gāo)k材(cái)料，它會更(gēng)快，所(suǒ)以要(yào)比NAND驅(qū)動(dòng)更(gēng)多的電流，這是(shì)NAND替(tì)代品
。 當(dāng)然，要取(qǔ)代(dài)NAND幾乎是不可能的(dí)
。”

所(suǒ)以，如果(guǒ)它可行，該(gāi)器件(jiàn)可(kě)能(néng)會出(chū)於圖(tú)6的儲(chǔ)存(cún)器等級金(jīn)字塔的某(mǒu)個(gè)地(dì)方(fāng)
。但(dàn)是技(jì)術(shù)距(jù)離(lí)進入商業市場還(huán)會(huì)有五到十年的時間(jiān)
。

不(bù)過還(huán)存(cún)在其(qí)他的問題
。 例如，在IEDM的一篇(piān)論(lùn)文中(zhōng)，SK Hynix，Lam及(jí)其(qí)它公(gōng)司發(fā)現(xiàn)，由於外部(bù)問題(tí)，鐵(tiě)電(diàn)鉿材料的實際(jì)開(kāi)關速(sù)度(dù)比(bǐ)預(yù)期(qī)的(dí)要慢(màn)
。

SK Hynix，Lam及(jí)其(qí)它公(gōng)司發(fā)現了(liǎo)一(yī)種控製矽摻雜氧化鉿(hā)晶(jīng)粒尺(chǐ)寸(cùn)的(dí)方(fāng)法，這(zhè)反過來(lái)又(yòu)提高了材料組的速度
。 “我(wǒ)們(mén)成(chéng)功地證明(míng)了(liǎo)Si：HfO2是(shì)由具有(yǒu)Ec〜0.5MV / cm的具有FE性質(zhì)的受控(kòng)納米晶體組成的，它(tā)是普通(tōng)Si：HfO2的一半，並且(qiě)疇轉換(huàn)速度比(bǐ)普通(tōng)晶粒(lì)大(dà)小(xiǎo)的(dí)Si：HfO2快(kuài)三(sān)倍(bèi)
。”

什麼是(shì)NC-FET
？

鐵(tiě)電(diàn)鉿氧(yǎng)化(huà)物還(huán)有其他用途(tú)
。一段時(shí)間(jiān)以(yǐ)來(lái)，加州(zhōu)大學(xué)伯(bó)克(kè)利(lì)分(fēn)校和其(qí)他(tā)一些學院繼續(xù)研究NC-FET，這是一款針(zhēn)對3nm或更高(gāo)頻(pín)率(shuài)的下一(yī)代邏(luó)輯晶體管
。

像FeFET一樣，NC-FET不(bù)是一個新器(qì)件(jiàn)
。在NC-FET中，現有(yǒu)晶體管中的(dí)柵極(jí)疊層(céng)用鐵電鉿氧化物(wù)進行改性(xìng)
。與(yǔ)FeFET相比(bǐ)，NC-FET的膜(mó)厚(hòu)略(lüè)有(yǒu)不同
。

應用材(cái)料公(gōng)司晶體(tǐ)管和(hé)互(hù)連(lián)集團總監Mike Chudzik說：“這(zhè)就是(shì)樂趣(qù)所(suǒ)在，隻是(shì)一個簡(jiǎn)單的鐵電介質交換(huàn)
。我會(huì)把(bǎ)它(tā)沿(yán)著FET隧道布置(zhì)
。”

NC-FET具有(yǒu)亞閾(yù)值(zhí)斜率，應用在低(dī)功耗領域(yù)
。它將與隧(suì)道場效(xiào)應(yīng)管(guǎn)（TFET）的競爭更多(duō)，TFET是(shì)一種(zhǒng)針對3納(nà)米及(jí)以上(shàng)的(dí)低功率晶(jīng)體管(guǎn)
。

“從根本(běn)上(shàng)說(shuō)，鐵電(diàn)就像個電壓(yā)放大器(qì)
。 你放(fàng)一(yī)個(gè)電壓，因(yīn)為它(tā)相互(hù)作(zuò)用(yòng)的方式(shì)，它就會放(fàng)大電壓
。 這(zhè)就(jiù)是為什麼你得(dé)到(dào)這個增強的亞閾(yù)值斜率
。”Chudzik說
。

基於(yú)這項技術, 加州(zhōu)大學(xué)伯克(kè)利分(fēn)校正(zhèng)在(zài)探索將現今(jīn)的 FinFET 和(hé) FD SOI 技(jì)術擴展到2nm
。他們(mén)將新的技術稱(chēng)作NC-finFET 和NC-FD-SOI
。

可(kě)以肯定的(dí)是(shì), NC FET仍(réng)處(chǔ)於(yú)發展初期(qī)
。Chudzik 說(shuō): “它(tā)的(dí)研究雖然(rán)充滿可(kě)能性(xìng)和(hé)樂(lè)趣, 但也(yě)有很(hěn)多懸而未決的(dí)問(wèn)題
。”

但(dàn)從短期來看，FeFET是(shì)這些(xiē)有(yǒu)前途(tú)的材料組合中(zhōng)可(kě)能先(xiān)實現(xiàn)的(dí)技(jì)術，這(zhè)反過來(lái)又可能(néng)在這個(gè)領域(yù)內掀(xiān)起一股研(yán)發(fā)浪潮
。否(fǒu)則(zé)就(jiù)像其他技術(shù)一樣(yàng)，也(yě)會(huì)被(bèi)晾在(zài)路邊(biān)
。

來(lái)源(yuán)：本(běn)文由半導體行(háng)業(yè)觀(guān)察翻譯自Semiengineering，謝謝(xiè)
。

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