imec: Durchbrüche in der Forschung zu ferroelektrischen Speichern für Speicherlösungen der nächsten Generation, um den Datenanforderungen des KI-Zeitalters gerecht zu werden

imec, ein weltweit führendes Forschungs- und Innovationszentrum für fortschrittliche Halbleitertechnologien, präsentiert zwei Fortschritte in der Forschung zu ferroelektrischen Speichern, die sowohl auf ferroelektrische Kondensatoren als auch auf ferroelektrische Feldeffekttransistoren als vielversprechende Kandidaten abzielen, um einen Niederspannungsbetrieb und eine hohe Integrationsdichte zu ermöglichen. Ferroelektrische Speicher finden zunehmend Beachtung, da KI-Anwendungen einen beispiellosen Druck auf Speichersysteme ausüben, mehr Kapazität, höhere Bandbreite und bessere Energieeffizienz zu tragbaren Kosten zu liefern. Da sich herkömmliche Speichertechnologien wie DRAM und SRAM immer schwerer skalieren lassen, erweisen sich ferroelektrische Ansätze als vielversprechende Kandidaten, da sie den Niederspannungsbetrieb mit Möglichkeiten für eine dichtere 3D-Integration verbinden können. Vor diesem Hintergrund präsentiert imec zwei sich ergänzende Fortschritte: ferroelektrische Kondensatoren mit niedriger Betriebsspannung, die zukünftige DRAM-ähnliche Speicher unterstützen könnten, sowie vertikal gestapelte FeFETs, die den Weg zu kompakten Speicherarchitekturen mit hoher Dichte für KI-Systeme der nächsten Generation ebnen.

Es zeigt sich, dass ferroelektrische Kondensatoren durch die Verkleinerung der ferroelektrischen Schicht einen Niederspannungsbetrieb (~1,3 V) ermöglichen und dabei eine hohe Restpolarisation (>40 μC/cm²) sowie eine hohe Lebensdauer (≥10¹³ Zyklen) beibehalten – Schlüsselanforderungen für DRAM-ähnliche Speicheranwendungen. In einer separaten Demonstration macht imec einen Schritt in Richtung hochdichter 3D-Ferroelektrikspeicher mit vertikal gestapelten, IGZO-basierten ferroelektrischen Feldeffekttransistoren (FeFETs). Die Arbeit präsentiert die erste funktionsfähige Demonstration eines vertikalen Stapels von FeFET-Speicherzellen mit fünf Wortleitungen, wodurch die Speicherdichte durch das Übereinanderstapeln der Bauelemente erhöht wird. Durch die Einführung einer Dual-Gate-Konfiguration mit einem Back-Gate verbessert imec die Löschleistung – eine zentrale Herausforderung für die FeFET-Technologie. Diese architektonische Innovation unterstreicht das Potenzial von FeFETs auf Oxidhalbleiterbasis für zukünftige Speicheranwendungen mit hoher Speicherdichte.

Es ist der multidisziplinäre Ansatz von imec, der die vorgestellten Bauelementkonzepte durch gemeinsame Materialien, Integrationsstrategien und eine gemeinsame Vision zur Realisierung skalierbarer 3D-Ferroelektrikspeicher zusammenführt. Beide Ansätze stützen sich auf ähnliche ferroelektrische Materialstapel, wobei Erkenntnisse aus der Grenzflächenoptimierung und der Skalierung bei Kondensatoren direkt auf die Optimierung von FeFET-Bauelementen übertragbar sind. Gleichzeitig eröffnen die für die FeFET-Stapelung demonstrierten fortschrittlichen 3D-Integrationstechniken Wege zur Realisierung hochdichter 3D-Arrays aus ferroelektrischen Kondensatoren. Beide Speicherbausteine – ferroelektrische Kondensatoren und FeFETs – bieten eindeutige Vorteile, wobei Erkenntnisse aus dem einen Bereich die weitere Optimierung des anderen vorantreiben.

Diese Fortschritte kommen zu einem entscheidenden Zeitpunkt für die Halbleiterindustrie. Da Speichertechnologien wie DRAM und SRAM an ihre Skalierungsgrenzen stoßen und KI-gesteuerte Workloads exponentiell größere Speicherkapazitäten erfordern, wird der Bedarf an neuen Speicherkonzepten immer dringlicher. Der nachgewiesene Niederspannungsbetrieb ferroelektrischer Kondensatoren unterstützt energieeffiziente Speicherkonzepte, während vertikal gestapelte FeFETs den Weg für kompakte Speicher mit hoher Dichte ebnen, die für eingebettete und zukünftige Rechnerarchitekturen geeignet sind. Zusammengenommen bieten diese Innovationen komplementäre Wege, um die Herausforderungen hinsichtlich Leistung und Kosten in zukünftigen datenzentrierten Systemen zu bewältigen.

„Diese Arbeit zeigt, wie das multidisziplinäre Fachwissen von imec – von der Materialwissenschaft bis hin zur fortschrittlichen 3D-Integration – es uns ermöglicht, einige der drängendsten Herausforderungen in der Speichertechnologie anzugehen“, sagte Attilio Belmonte, Programmdirektor bei imec. Maarten Rosmeulen, Programmdirektor bei imec, fährt fort: „Wir erkunden verschiedene Wege hin zu den Speicherlösungen, die erforderlich sein werden, um das rasante Wachstum von KI und datenintensiven Anwendungen aufrechtzuerhalten.“

Mit Blick auf die Zukunft wird imec beide Gerätekonzepte weiter verfeinern und gleichzeitig verbleibende Herausforderungen angehen, wie beispielsweise die Lebensdauer und die Löschleistung bei FeFETs sowie die weitere Spannungsskalierung und Zuverlässigkeitsoptimierung bei ferroelektrischen Kondensatoren. Zukünftige Arbeiten werden sich auf die Bewertung dieser Technologien auf Systemebene, die Entwicklung vollständig integrierter 3D-Speicherarchitekturen und die Verbesserung wichtiger Leistungskennzahlen konzentrieren, um diese Konzepte der praktischen Umsetzung näher zu bringen. Obwohl sich diese Ergebnisse noch im Forschungsstadium befinden, stellen sie wichtige Schritte in Richtung von Speichertechnologien der nächsten Generation dar, die die Art und Weise, wie Daten im KI-Zeitalter gespeichert und abgerufen werden, neu definieren könnten.

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Weiterführende Links

👉 www.imec-int.com  

Foto: unsplash