带存储器的晶体管：FeFET

最近在氧化铪（HfO2）中发现了铁电相，这重新引起了业界对铁电存储器的兴趣。铁电存储器的一个示例是基于HfO2的非易失性铁电场效应晶体管（FeFET），它在类3D NAND的存储应用和内存计算上显示出有趣的特性。以下是IMEC的科学总监JanVan Houdt对FeFET的工作原理，以及这个令人兴奋的“新人”如何适应下一代存储器的发展所作的阐释。

FeFET：带存储器的晶体管

铁电体是一种含有能自发极化晶体的材料。其拥有两种可以通过外部电场反转的状态。当施加电场时，铁电材料的晶体结构中形成的电偶极子会与电场方向保持一致。去除电场后，它们将保持这种极化状态，从而使材料具有非易失性。施加在铁电材料上的电场和极化电荷之间具有非线性关系，也就是极化/电压（P/V）特性具有磁滞回线的形式。

业界正在探索将铁电材料用于类似DRAM存储器：将其用作DRAM电容器中的电介质材料。以此类推，用铁电体代替标准逻辑器件中的高K电介质材料，最后形成非易失性晶体管，这就是FeFET。铁电栅极氧化物的两个稳定的极化状态会改变晶体管的阈值电压，即使在移除电源电压时也是如此。因此，二进制状态被编码在晶体管的阈值电压中。可以通过在晶体管的栅极上施加一个脉冲来完成存储单元的写入操作，该脉冲会改变铁电材料的极化状态并影响阈值电压。例如，施加正脉冲会降低阈值电压，并使晶体管处于“ 开启”状态。通过测量漏极电流来完成读取。这种存储操作模式类似于NAND闪存存储单元的工作模式：电子注入和吸出浮栅，从而调节晶体管的阈值电压。

从梦想到现实

铁电存储器在五十多年前被发明，由于其非常低的功耗，非易失性和高写入/擦除速度，一直被认为是理想的存储器。然而，复杂的铁电材料向业界提出了巨大的挑战。早期业界尝试用钙钛矿相锆钛酸铅系（PZT）铁电材料。但这些材料的保形薄膜沉积工艺已被证明是非常具有挑战性的。而且，这些材料极高的介电常数（大约为300）是将它们集成到晶体管中的一大障碍。

但是，最近科学家在较不复杂的材料，氧化铪（HfO 2）中发现存在铁电相，这再次燃起了业界对该存储概念的兴趣。研究人员发现，可以通过向HfO2中掺入硅（Si）来使斜方晶相（铁电相）保持稳定。与PZT相比，HfO2具有较低的介电常数，并且可以以保形的方式沉积薄膜（也就是原子层沉积（ALD）工艺）。最重要的是，HfO2是一种熟悉的材料，它就是逻辑器件HKMG中的HK栅极氧化层材料。通过巧妙地修改这种兼容CMOS的材料，逻辑晶体管现在可以变成非易失性FeFET存储晶体管。

从平面到立体

FeFET的功能验证已在二维平面架构中实现。与此同时，HfO2保形沉积工艺使得3D堆叠成为可能，例如，在垂直“壁”上沉积铁电材料从而在垂直方向上堆叠晶体管。

在材料方面，这些3D FeFET可以解决2D FeFET结构带来的一些挑战。一个挑战与HfO 2电介质的多晶性质有关。缩放HfO2薄膜的厚度会显着减少该层中晶粒的数量。因为，并非所有晶粒都具有相同的极化方向，晶粒减少会影响晶体管对外部电场响应的一致性，最终导致较大的管间差异。通过3D堆叠，至少在物理尺寸上消除了此限制（也就是HfO2不需要压缩得太薄），从而降低了管间差异。

垂直FeFET工艺流程与3D NAND类似，IMEC也一直积极采用这种方法。3D NAND闪存是当今用于高密度数据存储的主流技术。3D NAND相对便宜且非易失性，但它结构较复杂以及操作缓慢。

3D-NAND闪存结构的示意图

这些垂直FeFET有望比复杂的3D NAND闪存具有更多优势，包括更简化的工艺流程，更低的功耗和更快的速度。与3D NAND闪存相比，垂直FeFET可以以更低的电压进行编程（又称为写入）（与NAND的20V相比约为4V），从而提高了可靠性和可微缩性。

2V的存储窗口和比拟闪存的耐久性

多年来，IMEC倚靠其长期在先进3D NAND闪存技术开发中积累的经验，以及为基于PZT的铁电存储器的早期研究而开发的设备和产线，而一直专注于类3D NAND垂直FeFET的开发。自2016年以来，IMEC及其合作伙伴制定了一项垂直FeFET的工业联盟计划。

在该计划的框架内，合作成员共同应对3D FeFET的工艺，特性和可靠性等主要技术挑战。例如，IMEC团队正在探索有关如何稳定HfO2的正交晶相（铁电相）。例如，该相可以通过用Si 置位掺杂HfO2而获得。掺杂会在薄膜中产生应变，使晶体进入所需的正交晶相。出于热平衡（即保持铁电相）的考虑，Si是首选的掺杂原子，但研究小组还研究了其他掺杂原子，例如铝（Al）和镧（La），并研究了铪锆氧化物作为替代铁电体的可行性。

最近，IMEC展示了基于3D NAND架构的第一款有实际功能的垂直FeFET。该器件是基于IMEC的3D NAND闪存工艺流程制造的，用原子层沉积（ALD）工艺沉积8nm的Si掺杂HfO2薄膜来替代典型的氧化物-氮化物-氧化物（ONO）介电层。多晶硅用作栅极材料，非晶硅用作沟道。整体结构包含由三个串联的器件组成的垂直串（控制栅极以及底部和顶部的选通管栅极）。沟道孔先填充氧化物，然后回蚀刻，最后形成通心粉状结构。在真正的类似3D NAND的芯片中，控制栅极的数量最多可以在垂直方向上堆叠64层，以获得高密度的存储解决方案。

（左）3D FeFET串联三个单元的横截面示意图；（右）TEM截面。

对于该试验器件，在施加100ns 写入/擦除脉冲后，可获得高达2V的存储窗口。FeFET在85°C下仍然有数据保存能力：在85°C 100小时后，仍然可以观察到清晰的数据保持状态。该团队还报告了类似Flash的10^4个循环的耐久性，并进行了首次可靠性评估。高电场引起的界面电荷俘获，被认为是耐久性的一大限制因素。减薄界面层厚度有望解决了这一挑战。

存储器特性：施加100ns 写入（PRG）/擦除（ERS）脉冲后，可获得高达2V的存储器窗口。

可靠性表征：编程和擦除后，阈值电压Vt随着循环而变化。10000个周期后观察到存储窗口关闭。

类3D NAND的应用和机器学习

FeFET仍处于研发的早期阶段，要说是否或何时将其投入生产还为时过早。然而，这种有前途的新存储概念引起了工业界的极大兴趣。IMEC的职责是发掘其全部潜力，并为合作伙伴在这一激动人心的研究领域中抢先一步。然后，他们可以决定如何最有效地将FeFET存储器装入其产品和芯片中。

作为独立存储器，FeFET被认为已进入存储级存储器（SCM）系列，从而有助于填补速度快但易失性的DRAM与速度慢但非易失且高密度的NAND闪存之间的市场空白。FeFET是非易失性的，与NAND闪存相比有诸多优势：更快的写入/擦除速度，工艺简单，功耗更低并且可以在更低的电压下工作。但是，尽管在速度上更接近于DRAM，但有限的循环次数（FeFET为10^4而不是DRAM 为10^12）很可能会将FeFET推向DRAM和NAND之间的NAND端。

FeFET存储器也引起了逻辑代工厂的兴趣：该存储器的高速度对于依赖于内存计算的机器学习应用可能非常有优势。为此，业界正在探索选取合适的存储器，包括闪存，MRAM，RRAM，PCM，SRAM和FeFET。FeFET的非线性特性和速度特性使该技术特别吸引使用深度学习卷积神经网络模型的机器学习应用程序。对于此应用，我们很可能会看到基于平面工艺的FeFET芯片面世。

展望：向更高密度的FeFET迈进

NAND闪存技术的另一个特殊优势是每个单元最多可以存储4个比特的能力，这使该技术具有独特的高数据密度。在传统的单层单元中，每个单元只能存储一个比特信息。NAND闪存单元已从单级单元发展为每个单元具有2、3甚至4位的单元。这些单元具有4比特，也就是在每个单独的晶体管中使用16个离散的阈值电压（或充电电平），这需要足够大的存储窗口。

对于FeFET，IMEC认为有三种提高存储密度的方法使FeFET在密度方面真正成为NAND 闪存竞争对手。首先，只要可以充分稳定阈值电压，原则上FeFET的2-2.5V的存储窗口应该能允许每个单元存储2个比特，也就是4个充电电平。

其次，通过使用类似沟槽的架构来连接晶体管，使单元密度增加一倍，即在沟槽的每一侧都有一个晶体管。在当前的3D FeFET设计中，例如在IMEC的3D NAND架构中，控制栅被设计为围栅（GAA）结构。这意味着栅极包裹在圆柱形沟道周围，因而一层只有一个晶体管。NAND闪存需要GAA结构来改善电荷注入到浮栅或氮化物捕获层中的性能，但FeFET则不需要。IMEC目前正在探索使用另一种类似沟槽的结构，该晶体管在沟槽的侧壁上制作，也就是在沟槽的相对两端有两个晶体管。这种架构应该有机会使存储单元数量增倍并减小单元间的性能差异。

第三，FeFET存储单元可以微缩到更小的物理尺寸。在典型的NAND闪存单元中，ONO电介质层具有约20nm的厚度。在FeFET单元中，HfO2铁电层有望减薄至4nm。另外，在垂直方向上，与NAND闪存相比，FeFET的工作电压更低，这将使字线排列可以更紧密，从而整体密度更高。

总之，3D FeFET的更高的密度，更快的速度，非易失性，类似闪存的耐久性，更低的操作电压和更低的功耗等优势使得它成为类3D NAND应用的有趣的竞争者。

本文由IC字幕组Jason Jin 翻译自IMEC magazine，阅读原文请点左下角。

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