Dresdner Forscher entwickeln neue Fertigungstechnologie für Speicherchips

Im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten, zum Cool Silicon genannten Spitzencluster für energieeffiziente Mikro- und Nanoelektronik gehörenden Teilprojekts “Cool Memory” haben Forscher aus Dresden eine neue Fertigungstechnologie für nichtflüchtige Speicherchips entwickelt. Sie wurde jetzt in die “International Technology Roadmap for Semiconductors” (ITRS) aufgenommen. Damit wurde dem Gemeinschaftsprojekt der Firmen Namlab und Globalfoundris sowie des Fraunhofer-Instituts für Photonische Mikrosysteme (IPMS) der Ritterschlag erteilt, handelt es sich bei ITRS doch um einen weltweit anerkannten technischen Leitfaden der Halbleiterbranche.

“Dass eine Innovation, die aus Dresden stammt, als Option für die Zukunft Aufnahme in die ITRS-Richtlinien findet, ist alles andere als alltäglich. Wir sind darauf sehr stolz, und sehen darin einmal mehr eine Bestätigung unserer erfolgreichen Arbeit”, so Professor Thomas Mikolajick, Leiter der Namlab gGmbH an der Technischen Universität Dresden und Koordinator des Spitzenclusters Cool Silicon.

Laut Mikolajick basieren die heutzutage typischerweise verwendeten Technologien auf dem Prinzip der Ladungsspeicherung. Das habe aber mehrere Nachteile, beispielsweise wird zum Schreiben hohe Spannung und sehr viel Energie benötigt. “Die hohe Spannung füht jedoch dazu, dass bestimmte Schaltungsteile zur Ansteuerung der Speicher nicht beliebig verkleinert werden können und derartige Speicher deshalb bei kleinen und mittleren Speicherdichten ineffizient werden”, so Mikolajick.

Die Dresdner Forscher speichern Daten jedoch in einem sogenannten Ferroelektrikum. Dieses Material lässt sich mithilfe elektrischer Spannung in zwei Polarisationszustände bringen. Zum Umschalten wird sehr wenig Energie benötigt. Der Ansatz wird grundsätzlich seit fast 70 Jahren verfolgt. Bislang wurden dafür aber komplizierte Materialien wie Blei-Zirkonat-Titanat verwendet. Das hat allerdings wieder Nachteile, erklärt Mikolajick: “Chiphersteller bringt das gleich doppelt in Schwierigkeiten: Zum einen erfordert die Fertigung starke Eingriffe in die üblichen Halbleiterprozesse. Zum anderen ist eine Skalierung unterhalb von 130 Nanometern nicht möglich“

Das Projekt “Cool Memory” setzt für seine ferroelektrischen Speicher daher auf Hafniumoxid. Dieses wird in der 28-Nanometer-Produktion der Fab des Projektpartners Globalfoundries bereits standardmäßig eingesetzt. Den Dresdner Wissenschaftler ist es nun jedoch gelungen, Hafniumoxid durch Dotierung ferroelektrisch zu machen – und das im Rahmen der üblichen Fertigungsprozesse. So lassen sich nichtflüchtige Speicherchips fertigen, die beim Schreiben eine deutlich höhere Energieeffizienz aufweisen, mit einer niedrigeren Spannung auskommen und sich wesentlich einfacher in einen etablierten CMOS-Prozess lassen, als konventionelle Ferroelektrika.

Das dotierte Hafniumoxid ermöglicht den Forschern zufolge eine Fertigung mit sehr kleinen Strukturbreiten. Erste funktionierende und bis auf eine Strukturgröße von 28 Nanometern skalierte Zellen dieses neuen Speicheransatzes wurden im Fraunhofer IPMS Center Nanoelectronic Technologies in Zusammenarbeit mit Globalfoundries bereits hergestellt. “Wir hoffen in naher Zukunft in der Lage zu sein, Mikrochips, wie sie beispielsweise für zukünftige, energieeffizientere Smartphones benötigt werden, mit einem in Dresden entwickelten und produzierten Speicher auszustatten. Für uns Forscher aber auch für den gesamten Standort wäre dies ein großer Erfolg”, so Fraunhofer-Projektleiter Johannes Müller.

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