Entwicklung und Zuverlässigkeitsverbesserung ferroelektrischer FinFETs für neuartige Speicher- und neuromorphe Anwendungen (ReFinE)

• Antragsteller: Professor Dr. Johannes Heitmann; Dr. Maximilian Lederer
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 546743543

HfO2-basierte ferroelektrische Schichten erregen aufgrund ihrer CMOS-Kompatibilität und der hervorragenden ferroelektrischen Eigenschaften große Aufmerksamkeit in Forschung und Industrie. Basierend auf ferroelektrischen HfO2-Filmen mit verschiedenen Dotierstoffen wie Zr wurden leistungsstarke ferroelektrische Bauelemente wie FeRAMs, FeFETs und negative capacitance FETs mit niedrigem Stromverbrauch demonstriert. Die Zuverlässigkeit und Variabilität der Bauelemente sind jedoch weiterhin von großem Interesse. In diesem Projekt wird die Integration ferroelektrischer Materialien in FinFET-Bauelemente in Kombination mit der Entwicklung einer fortgeschrittenen elektrischen Defektcharakterisierung realisiert. Damit soll sowohl die Zuverlässigkeitscharakterisierung weiterentwickelt als auch die Zuverlässigkeit selbst verbessert werden. Darüber hinaus wird ein neuer Ansatz des Atomlagenätzens entwickelt, der in situ vor der Atomlagenabscheidung des ferroelektrischen Materials angewendet wird. Der Einfluss dieser Prozess auf die Halbleiter-Dielektrikum Grenzfläche und die dielektrischen Eigenschaften des Bauelements werden im Detail untersucht. Dieses Projekt beinhaltet die Zusammenarbeit zwischen der Technischen Universität Bergakademie Freiberg (TUBAF), dem Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme (Fraunhofer IPMS) in Deutschland und der National Yang Ming Chiao Tung University (NYCU) in Taiwan. Das Projekt legt in drei Anwendungsbereichen ambitionierte Entwicklungsziele fest. Das erste ist die Entwicklung ferroelektrischer Bulk- und SOI-FinFETs für neue Speicheranwendungen. Für Speicheranwendungen besteht das Ziel darin, ein Speicherfenster von mehr als 1,5 V und eine Lebensdauer von mehr als 107 Zyklen zu erreichen. Dieses Ziel erfüllt den dringenden Bedarf an verbesserten Speichergeräten, die eine höhere Effizienz und eine längere Lebensdauer bieten. Die zweite angestrebte Anwendung ist das neuromorphe Computing. Ferroelektrische Bulk- und SOI-FinFETs werden mit dem Ziel hergestellt, bei Bilderkennungsaufgaben eine Effizienz von über 90 % zu erreichen. Dies steht im Einklang mit dem wachsenden Gebiet des neuromorphen Computings, das neuronale Netze für fortgeschrittene Rechenaufgaben nutzt. Als drittes Ziel wird eine intensive Zusammenarbeit zwischen TUBAF und Fraunhofer in Deutschland sowie NYCU in Taiwan aufgebaut. Jede Institution bringt unterschiedliche Expertisen in das Projekt ein, die von der Grenzflächen- und Materialcharakterisierungen bis hin zu hochmodernen Prozessen für FinFETs und der Abscheidung ferroelektrischer Gate-Stacks reichen. Diese Synergie ist entscheidend für eine erfolgreiche Bearbeitung des Gesamtvorhabens.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Taiwan
• Partnerorganisation: National Science and Technology Council (NSTC)
• Kooperationspartner: Professor Dr. Tian-Li Wu