Kleine Speicher, große Wirkung
Digitale Systeme brauchen immer leistungsfähigere Speicher. Sie sollen Daten schnell verarbeiten, wenig Energie verbrauchen und Informationen auch dann behalten, wenn kein Strom anliegt. Genau daran arbeiten das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS und der Halbleiterhersteller GlobalFoundries in Dresden.
Gemeinsam haben sie eine neue Speichertechnologie entwickelt und in eine bestehende industrielle Fertigungstechnologie integriert. Im Mittelpunkt stehen ferroelektrische FRAM-Speicher auf Basis von Hafniumoxid. Das Forschungsteam erhält dafür den Wissenschaftspreis des Stifterverbandes „Forschung im Verbund“.
Die Auszeichnung würdigt vor allem den Schritt aus der Forschung in Richtung industrieller Anwendung. Denn Speichertechnologien sind nur dann wirtschaftlich interessant, wenn sie nicht allein im Labor funktionieren. Sie müssen auch in bestehende Halbleiterprozesse passen.
Langjährige und enge Zusammenarbeit (v. l.): Dr. Sven Beyer (GlobalFoundries), Dr. Nandakishor Yadav, Dr. Franz Müller, Konrad Seidel und Dr. Maximilian Lederer (Fraunhofer IPMS).
Was hinter FRAM steckt
FRAM steht für Ferroelectric Random Access Memory. Gemeint ist ein Speicher, der Informationen mithilfe eines ferroelektrischen Materials sichert. Bei dieser Technologie werden Ionen in einem Kristallgitter verschoben. Dadurch verändert sich die Polarisation des Materials. Diese veränderte elektrische Ausrichtung kann genutzt werden, um Informationen zu speichern.
Der wichtigste Vorteil: Die Daten bleiben auch ohne Strom erhalten. Solche Speicher werden als nichtflüchtig bezeichnet. Klassischer Arbeitsspeicher verliert seine Informationen, sobald die Stromversorgung unterbrochen wird. Flash-Speicher, wie er etwa in USB-Sticks oder SSDs eingesetzt wird, speichert Daten zwar dauerhaft. Er ist aber bei bestimmten Anwendungen langsamer, weniger energieeffizient oder nicht für beliebig viele Schreibvorgänge ausgelegt.
FRAM soll mehrere Anforderungen verbinden. Die Technologie kann sehr schnell schalten, benötigt wenig Energie und erlaubt viele Schreib- und Löschvorgänge. Nach Angaben von Fraunhofer IPMS arbeiten die neuen Speicherzellen mit Betriebsspannungen unter einem Volt. Sie schalten in wenigen Nanosekunden und weisen eine hohe Zyklenfestigkeit auf. Das bedeutet: Sie können häufig beschrieben und gelöscht werden, ohne schnell an Zuverlässigkeit zu verlieren.
Warum Hafniumoxid wichtig ist
Besonders wichtig ist das verwendete Material. Die Speicher basieren auf Hafniumoxid. Dieses Material ist für die Halbleiterindustrie interessant, weil es sich mit modernen Fertigungsprozessen verbinden lässt. Genau das ist ein zentraler Punkt des Projekts.
Fraunhofer IPMS und GlobalFoundries haben einen Ansatz entwickelt, um ferroelektrische FRAM-Zellen in den 22FDX-Technologieknoten von GlobalFoundries einzubetten. Dabei handelt es sich um eine Plattform für besonders stromsparende Mikrochips. Sie wird für Anwendungen genutzt, bei denen Energieverbrauch, Integrationsdichte und Zuverlässigkeit eine große Rolle spielen.
Für die Forschenden ist diese Integration ein entscheidender Schritt. Denn viele neue Speichertechnologien zeigen im Labor gute Eigenschaften. Schwieriger ist es, sie auf industriellen Strukturen reproduzierbar herzustellen. Genau das soll dem Team nun gelungen sein.
Speicher für Edge-KI und energiearme Geräte
Fraunhofer IPMS und GlobalFoundries sehen mögliche Einsatzfelder vor allem dort, wo Geräte mit wenig Energie auskommen müssen. Dazu zählen autonome Sensoren, batterie- oder akkubetriebene Systeme, Industrieautomation, Medizintechnik und Anwendungen im Automotive-Bereich.
Ein weiterer Schwerpunkt ist Edge-KI. Damit ist künstliche Intelligenz gemeint, die nicht ausschließlich in Rechenzentren läuft. Stattdessen werden Daten direkt im Gerät oder nahe an der Anlage verarbeitet. Dafür braucht es Speicher, der schnell, robust und stromsparend ist. Geräte müssen Daten zwischenspeichern, auswerten und auch bei Unterbrechungen zuverlässig sichern können.
Nach Einschätzung der beteiligten Forschenden könnte die nichtflüchtige Speichertechnologie dazu beitragen, den Energieverbrauch solcher Systeme zu senken. Das wäre besonders dort relevant, wo viele kleine Geräte dauerhaft im Einsatz sind und nur begrenzte Energie zur Verfügung haben.
Forschung und Industrie arbeiten in Dresden zusammen
Das Projekt baut auf einer langjährigen Zusammenarbeit zwischen Fraunhofer IPMS und GlobalFoundries am Standort Dresden auf. Beide Partner entwickelten Material, Prozess, Bauelement und Fertigung gemeinsam weiter. Der Artikel ordnet die Entwicklung in das Innovationsökosystem „Silicon Saxony“ ein.
Der Standort Dresden spielt in der europäischen Halbleiterindustrie eine wichtige Rolle. Dort treffen Forschungseinrichtungen, Chipfertigung und Zulieferer aufeinander. Solche Verbundprojekte sollen helfen, neue Technologien schneller aus der Forschung in industrielle Anwendungen zu überführen.
Kontakt
Franka Balvin
Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS
Maria-Reiche-Str. 2
01109 Dresden
Telefon: +49 351 8823-1144
