鐵電存儲器工作原理和器件結(jié)構(gòu)

隨著IT技術(shù)的不斷發(fā)展，對于非易失性存儲器的需求越來越大，讀寫速度要求越來越快，功耗要求越來越小，現(xiàn)有的傳統(tǒng)非易失性存儲器，如EEPROM、FLASH等已經(jīng)難以滿足這些需要了。

傳統(tǒng)的主流半導體存儲器可以分為兩類：易失性和非易失性。易失性存儲器包括靜態(tài)存儲器SRAM(Static Random Access Memory)和動態(tài)存儲器DRAM(Dynamic Random Access Memory)。SRAM和DRAM在掉電的時候均會失去保存的數(shù)據(jù)。RAM類型的存儲器易于使用、性能好，可是它們同樣會在掉電的情況下失去所保存的數(shù)據(jù)。

非易失性存儲器在掉電的情況下并不會丟失所存儲的數(shù)據(jù)。然而所有的主流非易失性存儲器均源自于只讀存儲器(ROM)技術(shù)。正如你所猜想的一樣，被稱為只讀存儲器的東西肯定不容易進行寫入操作，而事實上是根本不能寫入。所有由ROM技術(shù)研發(fā)出的存儲器則都具有寫入信息困難的特點。這些技術(shù)包括有EPROM、EEPROM和Flash。這些存儲器不僅寫入速度慢，而且只能有限次的擦寫，寫入時功耗大。

相對于其他類型的半導體技術(shù)而言，鐵電存儲器具有一些獨一無二的特性。鐵電存儲器能兼容RAM的一切功能，并且和ROM技術(shù)一樣，是一種非易失性的存儲器。鐵電存儲器在這兩類存儲類型問搭起了一座跨越溝壑的橋梁——一種非易失性的RAM。同傳統(tǒng)的非易失性存儲器相比，鐵電存儲器具有功耗小、讀寫速度快、抗輻照能力強等優(yōu)點，因此受到很大關(guān)注。

2 鐵電存儲器工作原理

當一個電場被加到鐵電晶體時，中心原子順著電場的方向在晶體里移動。當原子移動時，它通過一個能量壁壘，從而引起電荷擊穿。內(nèi)部電路感應到電荷擊穿并設(shè)置存儲器。移去電場后，中心原子保持不動，存儲器的狀態(tài)也得以保存。

因此，在一個外加電場下，鐵電材料的極化特性會發(fā)生改變，當這個電場去掉以后，這個信息仍然能夠保存。沒有外加電場的情況下，極化特性有兩種穩(wěn)定的狀態(tài)。圖1是一個鐵電材料電容的電滯回線，顯示了鐵電電容在所加不同電場的情況下的不同極性。其中，最重要的兩個參數(shù)是剩余極化程度Pr，和矯頑場Ec。在沒有電場強度的情況下，+／-Pr就表示了“0”、“1”兩個狀態(tài)。為了獲得這兩個狀態(tài)，所加電場必須大于+／-Ec，因此，所需要的閾值電壓也就確定了。

相比之下，鐵電電容的漏電流沒有EEPROM、FLASH之類的傳統(tǒng)非易失性存儲器那么重要，因為FeRAM的信息存儲是由極化來實現(xiàn)的，而不是自由電子。

3 鐵電材料簡介

理想的鐵電材料需要滿足如下特點：

?介電常數(shù)??；

?合理的自極化程度(～5μC／cm2)；

?高的居里溫度(在器件的存儲和工作溫度范圍之外)；

?鐵電材料厚度要薄(亞微米)以使矯頑場Ec較??；

?能夠承受一定的擊穿場強；

?內(nèi)在開關(guān)速度要快(納秒級別)；

?數(shù)據(jù)的保持能力和持久能力要好；

?如果是軍方使用的話，還要求能夠抗輻照；

?化學穩(wěn)定性要好；

?加工均勻性好；

?易于集成到CMOS工藝中去；

?對周圍電路無不良影響；

?污染小等。

經(jīng)過多年的研究，目前主流的鐵電材料主要有以下兩種：PZT、SBT。

PZT是鋯鈦酸鉛PbZrxTil-xO3；SBT是鉭酸鍶鉍Sr1-yBi2+xTa2O9。這兩種材料的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

PZT是研究最多、使用最廣泛的，它的優(yōu)點是能夠在較低的溫度下制備，可以用濺射和MOCVD的方法來制備，具有剩余極化較大、原材料便宜、晶化溫度較低的優(yōu)點；缺點是有疲勞退化問題，還有含鉛會對環(huán)境造成污染。

SBT最大的優(yōu)點是沒有疲勞退化的問題，而且不含鉛，符合歐盟環(huán)境標準；但是它的缺點是工藝溫度較高，使之工藝集成難度增大，剩余極化程度較小。兩種材料的對比見表1。

目前從環(huán)境保護的角度來說，PZT已經(jīng)被禁止使用了，但是從鐵電存儲器的性能和工藝集成的難易和成本的角度來說，SBT與PZT相比沒有優(yōu)勢，因此目前關(guān)于鐵電材料的選擇還值得探討。

4 鐵電存儲器的電路結(jié)構(gòu)

鐵電存儲器的電路結(jié)構(gòu)主要分成以下三種：2晶體管-2電容(2T2C)、1晶體管-2電容(1T2C)、1晶體管-1電容(1T1C)，如圖3所示。2T2C結(jié)構(gòu)由于每一位都有兩個相反的電容互為參考，因此可靠性比較好，但是所占面積太大，不適合高密度的應用。晶體管／單電容器結(jié)構(gòu)可以像DRAM一樣，使用單電容器為存儲器陣列的每一列提供參考。與現(xiàn)有的2T／2C結(jié)構(gòu)相比，它有效地把內(nèi)存單元所需要的面積減少一半。這種設(shè)計極大地提高了鐵電存儲器的效率，降低了鐵電存儲器產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。1T1C結(jié)構(gòu)的集成密度較高(8F2)，但是可靠性較差，1T2C結(jié)構(gòu)是這兩種結(jié)構(gòu)的折衷。

目前，為了獲得高密度的存儲器，大多采用1T1C的結(jié)構(gòu)。

此外，還有一種鏈式結(jié)構(gòu)也被采用，這種結(jié)構(gòu)類似于NAND的結(jié)構(gòu)，通過這種方法，可以獲得比1T1C更高的存儲密度，但是這種方法也會使得存取時間大大增加。Chain FeRAM (CFeRAM)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

5 鐵電存儲器讀寫過程

根據(jù)內(nèi)存單元的極性狀態(tài)，電荷電量小則為“0”，電荷電量大則為“1”。這個電荷轉(zhuǎn)化為一個讀出電壓，小于參考電壓則為“0”，大于參考電壓則為“1”。由此讀出所存儲的信息，見圖6。

進行讀操作時，升高字線電壓使MOS管導通，再使驅(qū)動線電壓升高為VCC，從而存儲電容的不同電荷將部分分配到位線寄生電容中去，于是BL上呈現(xiàn)出不同的電壓，從而鑒別出數(shù)據(jù)。進行寫操作時，升高字線使MOS管導通，驅(qū)動線加一脈沖，從而將位線上不同數(shù)據(jù)存入鐵電電容的兩個不同穩(wěn)態(tài)。

通過加一個正電壓或者一個負電壓，這兩種電壓能夠使電容變成兩個不同的極性，通過這種方式把信息寫入內(nèi)存中。

6 鐵電存儲器的器件結(jié)構(gòu)

目前鐵電存儲器最常見的器件結(jié)構(gòu)是Planar(平面式)和Stack(堆疊式)結(jié)構(gòu)，兩者的區(qū)別住干鐵電電容的位置還有電容與MOS管互連的方式。在Planar結(jié)構(gòu)中，將電容置于場氧上面，通過金屬鋁，將電容上電極和MOS管有源區(qū)相連，工藝相對簡單，但單元面積較大；而在Stack結(jié)構(gòu)中，將電容置于有源區(qū)，通過塞子(Plug)將電容下電極和MOS管源端相連，需要CMP工藝，集成密度較高。另外，Stack結(jié)構(gòu)可以采用鐵電電容制作在金屬線上的做法，從而減少鐵電電容在形成過程中對工藝的相互影響。兩種結(jié)構(gòu)示意圖如圖7和圖8所示。

Planar結(jié)構(gòu)的工藝相對簡單，其隔離采用LOCOS結(jié)構(gòu)，且平坦化不需要使用CMP。而Stacked結(jié)構(gòu)的集成度較高，但是所用工藝相對先進，隔離采用STI，平坦化需要使用CMP，導線可以使用Cu。

除此之外，還有一種結(jié)構(gòu)，是采用鐵電材料作柵極，這樣的器件能夠完全消除讀出的破壞性問題，而且從理論上來說也更加節(jié)約面積，能夠?qū)崿F(xiàn)更大的集成度。但是這種結(jié)構(gòu)目前還存在很嚴重的問題，數(shù)據(jù)保存能力很差，目前報道的最好的數(shù)據(jù)保存能力也只有一個月而已，所以距離實用還很遙遠。圖9是這種結(jié)構(gòu)的示意圖。

目前鐵電存儲器的線寬在0.5μm以上的時候一般都采用Planar結(jié)構(gòu)，在0.5μm以下的時候一般都采用Stack結(jié)構(gòu)。

7 總結(jié)

鐵電存儲器是新興的非易失性存儲器，它的起步比較早，率先實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，由于其具有功耗小、讀寫速度快、抗輻照能力強的優(yōu)點，在一些需要快速存取、低功耗和抗輻照的小規(guī)模存儲領(lǐng)域有市場。但是鐵電存儲器也存在集成度提高比較困難、工藝沾污較為嚴重、難以和傳統(tǒng)CMOS工藝相互兼容的缺點，有待進一步研究解決。