Halbleiterfertigung: Hafniumdioxid ist mehr als ein guter Isolator

Speicher, konfigurierbare Transistoren und Energy Harvesting: Hafniumdioxid kann viel, Globalfoundries integriert es in die Serienfertigung.

Ein Bericht von Johannes Hiltscher veröffentlicht am
Auf einem solchen Wafer kann Globalfoundries auch FeFETs herstellen - zusammen mit normalen MOSFETs.
Auf einem solchen Wafer kann Globalfoundries auch FeFETs herstellen - zusammen mit normalen MOSFETs. (Bild: Globalfoundries)

Viele Geschichten beginnen mit einem Zufall: Bei Hafniumdioxid entdeckte die mittlerweile insolvente Infineon-Tochter Qimonda 2007, dass dessen Ferromagnetismus für sogenannte ferroelektrische Feldeffekttransistoren (FeFET) nutzbar ist. Eigentlich sollte es als sogenanntes High-k-Dielektrikum verwendet werden. Die Idee, Ferroelektrizität für Transistoren zu nutzen, existiert seit den 1950er Jahren. Überlebt hat sie bis heute, denn die Transistoren haben interessante Eigenschaften.

Inhalt:
  1. Halbleiterfertigung: Hafniumdioxid ist mehr als ein guter Isolator
  2. Unauslesbare Schaltungen und Energierückgewinnung

Um sie zu verstehen, müssen wir zuerst einen Blick auf den Aufbau eines MOSFETs werfen, von dem der FeFET abgeleitet ist. MOSFETs bestehen neben drei Elektroden aus dem sogenannten Kanal (siehe Bild unten). Dieser wird mittels der darüber platzierten Gate-Elektrode zwischen leitendem und sperrendem Zustand umgeschaltet. Zwischen Gate-Elektrode und Kanal befindet sich ein Isolator, der verhindert, dass Elektronen zwischen Elektrode und Kanal fließen. Ob der Transistor leitet, entscheiden Dotierung (P- oder N-Kanal) und das elektromagnetische Feld der Gate-Elektrode.

  • Prinzip eines FeFETs: Über ein Programmier-Gate (PG) wird ein elektromagnetisches Feld gespeichert. Das Control-Gate (CG) entspricht dem normalen Gate eines MOSFETs. (Bild: Namlab)
  • Aufbau eines programmierbaren NAND/NOR-Gatters, links ein NOR-Gatter in CMOS-Technik. (Bild: Namlab)
  • Oben rechts elektronenmikroskopische Aufnahmen der zum Energy Harvesting genutzten Hafniumdioxidschicht. Unten rechts der Olsen-Zyklus mit den angelegten Feldstärken. (Bild: Fraunhofer IPMS)
  • MOSFETs und FeFETs sind fast gleich aufgebaut, allerdings behält das ferroelektrische Material ein zuvor gespeichertes elektromagnetisches Feld (blauer/roter Pfeil). (Bild: Johannes Hiltscher, Golem.de)
MOSFETs und FeFETs sind fast gleich aufgebaut, allerdings behält das ferroelektrische Material ein zuvor gespeichertes elektromagnetisches Feld (blauer/roter Pfeil). (Bild: Johannes Hiltscher, Golem.de)

Beim FeFET ersetzt eine ferromagnetische Schicht den Isolator. Mit ausreichend hoher Spannung und entsprechend starkem elektromagnetischem Feld kann die ferromagnetische Schicht polarisiert werden. Sie speichert dann ein elektromagnetisches Feld. Ein FeFET lässt sich so zwischen P- und N-FET umschalten.

  • Prinzip eines FeFETs: Über ein Programmier-Gate (PG) wird ein elektromagnetisches Feld gespeichert. Das Control-Gate (CG) entspricht dem normalen Gate eines MOSFETs. (Bild: Namlab)
  • Aufbau eines programmierbaren NAND/NOR-Gatters, links ein NOR-Gatter in CMOS-Technik. (Bild: Namlab)
  • Oben rechts elektronenmikroskopische Aufnahmen der zum Energy Harvesting genutzten Hafniumdioxidschicht. Unten rechts der Olsen-Zyklus mit den angelegten Feldstärken. (Bild: Fraunhofer IPMS)
  • MOSFETs und FeFETs sind fast gleich aufgebaut, allerdings behält das ferroelektrische Material ein zuvor gespeichertes elektromagnetisches Feld (blauer/roter Pfeil). (Bild: Johannes Hiltscher, Golem.de)
Prinzip eines FeFETs: Über ein Programmier-Gate (PG) wird ein elektromagnetisches Feld gespeichert. Das Control-Gate (CG) entspricht dem normalen Gate eines MOSFETs. (Bild: Namlab)

Aus dem Labor in die Serienfertigung

In Dresden, dem Standort von Globalfoundries (GF) Fab 1, forschen das Nanoelectric Materials Laboratory (Namlab) der Technischen Universität und das Fraunhofer IPMS an praktischen Anwendungen. Gefördert durch das Important Project of Common European Interest (IPCEI) für Mikroelektronik, wurden die Ergebnisse aus jahrelanger Arbeit im Labor in die industrielle Halbleiterfertigung übertragen.

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Konkret ist das aktuell GFs 28-SLPe-Prozess, aber auch 22FDX wurde bereits erprobt. Die naheliegendste Anwendung für die FeFETs sind nichtflüchtige Speicher. An denen arbeitet die Ferroelectric Memory Company (FMC), eine Ausgründung der TU Dresden. Sie benötigen wie Flash-Speicher lediglich einen Transistor zum Speichern eines Bits, kommen also ohne den beispielsweise bei DRAM benötigten Kondensator aus und sind dadurch einfacher herstellbar. Bei der Haltbarkeit der gespeicherten Information und der möglichen Anzahl an Schreibzyklen haben sie Flash-Speicher mit 10.000 Zyklen längst eingeholt.

Erneuerbare Energien und Klimaschutz: Hintergründe - Techniken und Planung - Ökonomie und Ökologie - Energiewende (Deutsch)

In anderen Bereichen sind sie dem Flash sogar überlegen: Da lediglich ein elektromagnetisches Feld aufgebaut wird, also wenig Strom fließt, benötigen Speicher aus FeFETs weniger Leistung zum Ablegen von Daten. Auch die Umschaltzeiten sind deutlich geringer, laut FMC liegen sie im Bereich von Nanosekunden. FeFETs können zudem, da das Hafniumdioxid mit Atomlagenabscheidung aufgebracht wird, mit jeder Transistorarchitektur kombiniert und beliebig mit normalen CMOS-Transistoren gemischt werden. Wichtig sind die geringen Kosten, nach Angaben von Namlab sind für die Herstellung von FeFETs lediglich zwei zusätzliche Belichtungsmasken erforderlich.

Aber Hafniumdioxid kann mehr als Daten speichern: Mit FeFETs lassen sich rekonfigurierbare Schaltungen bauen. Damit sind neue FPGA-Architekturen möglich, aber auch gegen Reverse Engineering gesicherte Schaltkreise. Über eine weitere Eigenschaft des Materials kann sogar ein Teil der Abwärme des Prozessors wieder in Strom gewandelt werden.

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Unauslesbare Schaltungen und Energierückgewinnung 
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