Ein neuer Typ eines ferroelektrischen Speicherchips auf Hafniumbasis, der von Liu Ming, Mitglied des Instituts für Mikroelektronik, entwickelt und entworfen wurde, wurde auf der IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC) im Jahr 2023 vorgestellt, der höchsten Ebene des integrierten Schaltkreisdesigns.
Hochleistungsfähiger eingebetteter nichtflüchtiger Speicher (eNVM) ist für SOC-Chips in Unterhaltungselektronik, autonomen Fahrzeugen, industriellen Steuerungen und Edge-Geräten für das Internet der Dinge stark gefragt. Ferroelektrischer Speicher (FeRAM) bietet die Vorteile hoher Zuverlässigkeit, extrem niedrigen Stromverbrauchs und hoher Geschwindigkeit. Er wird häufig für die Aufzeichnung großer Datenmengen in Echtzeit, häufiges Lesen und Schreiben von Daten, geringen Stromverbrauch und eingebettete SoC/SiP-Produkte eingesetzt. Ferroelektrischer Speicher auf PZT-Basis hat sich in der Massenproduktion etabliert, ist jedoch nicht mit der CMOS-Technologie kompatibel und lässt sich nur schwer verkleinern. Dies erschwert die Entwicklung herkömmlicher ferroelektrischer Speicher erheblich. Die Integration in eingebettete Speicher erfordert eine separate Produktionslinie und ist daher nur schwer in großem Maßstab marktfähig. Die Miniaturisierung neuer hafniumbasierter ferroelektrischer Speicher und ihre Kompatibilität mit der CMOS-Technologie machen sie zu einem wichtigen Forschungsschwerpunkt in Wissenschaft und Industrie. Hafniumbasierte ferroelektrische Speicher gelten als wichtige Entwicklungsrichtung für die nächste Speichergeneration. Derzeit gibt es bei der Forschung zu ferroelektrischen Speichern auf Hafniumbasis noch Probleme, wie etwa unzureichende Zuverlässigkeit der Einheiten, fehlendes Chipdesign mit vollständiger Peripherieschaltung und weitere Überprüfung der Leistung auf Chipebene, was die Anwendung in eNVM einschränkt.
Um die Herausforderungen eingebetteter ferroelektrischer Speicher auf Hafniumbasis zu meistern, hat das Team um Akademiemitglied Liu Ming vom Institut für Mikroelektronik weltweit erstmals einen Megabyte-FeRAM-Testchip entwickelt und implementiert. Dieser basiert auf der hochintegrierten Plattform für CMOS-kompatible ferroelektrische Speicher auf Hafniumbasis und schloss die hochintegrierte ferroelektrische HZO-Kondensatortechnologie im 130-nm-CMOS-Prozess erfolgreich ab. Ein ECC-unterstützter Schreibtreiberschaltkreis zur Temperaturmessung und ein empfindlicher Verstärkerschaltkreis zur automatischen Offset-Eliminierung wurden vorgeschlagen. Die bisher besten Werte wurden mit einer Lebensdauer von 1012 Zyklen sowie einer Schreib- und einer Lesezeit von 7 ns erreicht.
Das Paper „Ein 9-MB-HZO-basierter eingebetteter FeRAM mit 1012 Zyklen-Ausdauer und 5/7 ns Lesen/Schreiben unter Verwendung von ECC-unterstützter Datenaktualisierung“ basiert auf den Ergebnissen und wurde für die ISSCC 2023 ausgewählt. Der Chip wurde in der ISSCC-Demositzung zur Präsentation auf der Konferenz ausgewählt. Yang Jianguo ist Erstautor des Papers, Liu Ming korrespondierender Autor.
Die entsprechende Arbeit wird von der National Natural Science Foundation of China, dem National Key Research and Development Program des Ministeriums für Wissenschaft und Technologie und dem B-Class Pilot Project der Chinesischen Akademie der Wissenschaften unterstützt.
(Foto des 9-MB-Hafnium-basierten FeRAM-Chips und Chip-Leistungstests)
Veröffentlichungszeit: 15. April 2023
