一文解析鐵電存儲(chǔ)器使用及工作原理

隨著我們進(jìn)入超智能和超互聯(lián)的第四次工業(yè)革命時(shí)代，高密度和高性能存儲(chǔ)器的重要性比以往任何時(shí)候都更大。目前應(yīng)用最廣泛的NAND閃存由于依賴電荷陷阱效應(yīng)存儲(chǔ)信息，存在功耗高、運(yùn)行速度慢、易重復(fù)使用等問題。為此，POSTECH的一個(gè)研究小組最近展示了一種鐵電存儲(chǔ)器，它在運(yùn)行速度、功耗和設(shè)備可靠性方面都超過了傳統(tǒng)閃存的性能。

一個(gè)由李章植教授和材料科學(xué)與工程系博士候選人金敏奎和金英杰領(lǐng)導(dǎo)的POSTECH研究小組展示了一種獨(dú)特的策略，即通過應(yīng)用基于二氧化鉿的鐵電體和氧化物半導(dǎo)體來(lái)制造鐵電存儲(chǔ)器。這種方法產(chǎn)生的存儲(chǔ)性能既不是傳統(tǒng)的閃存，也不是以前的鈣鈦礦鐵電存儲(chǔ)器所能達(dá)到的。器件仿真結(jié)果表明，該策略可以實(shí)現(xiàn)超高密度的三維存儲(chǔ)器集成。

鐵電存儲(chǔ)器以其比傳統(tǒng)的閃存具有更高的速度和更低的功耗而受到人們的關(guān)注。但由于其加工溫度高、不易擴(kuò)展以及與傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝不兼容等原因，其商業(yè)化進(jìn)程受到阻礙。

研究小組利用鉿基鐵電體和氧化物半導(dǎo)體解決了這些問題。新的材料和結(jié)構(gòu)保證了低功耗和高速度；采用氧化物半導(dǎo)體作為溝道材料，降低了工藝溫度，抑制了多余界面層的形成，實(shí)現(xiàn)了高穩(wěn)定性。因此，研究人員證實(shí)，這種制造出來(lái)的器件可以在比傳統(tǒng)閃存低4倍的電壓下以快幾百倍的速度工作，即使重復(fù)使用超過1億次也能保持穩(wěn)定。具體地，通過原子層沉積來(lái)堆疊鐵電材料和氧化物半導(dǎo)體以確保適合于制造三維器件的處理技術(shù)。該團(tuán)隊(duì)提出，高性能設(shè)備可以在400°C下制造，工藝比傳統(tǒng)閃存設(shè)備簡(jiǎn)單得多。

領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的Jang Sik Lee教授說(shuō)：“我們開發(fā)了核心技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)下一代高集成度和高性能存儲(chǔ)器，克服了傳統(tǒng)3-D NAND閃存的局限性?！?。他補(bǔ)充說(shuō)，“這項(xiàng)技術(shù)不僅適用于下一代存儲(chǔ)設(shè)備，也適用于超低功耗、超高速、高度集成的通用內(nèi)存和內(nèi)存計(jì)算，這些對(duì)未來(lái)人工智能和自動(dòng)駕駛汽車等行業(yè)至關(guān)重要。”

什么是鐵電存儲(chǔ)器？

鐵電存儲(chǔ)器是一種與DRAM類似的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，但使用鐵電層而不是介電層來(lái)實(shí)現(xiàn)非易失性。FeRAM是提供與閃存相同功能的替代非易失性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器技術(shù)中的一種。

鐵電存儲(chǔ)器的歷史

鐵電存儲(chǔ)器的發(fā)展可以追溯到半導(dǎo)體技術(shù)的早期。這個(gè)想法最初是在1952年提出的，但是由于要實(shí)現(xiàn)該想法所需的技術(shù)不存在，花了很多年才開始對(duì)該想法進(jìn)行適當(dāng)?shù)拈_發(fā)。

這項(xiàng)技術(shù)的一些工作始于1980年代，然后在1990年代初期，NASA的一部分開始致力于檢測(cè)紫外線輻射脈沖的技術(shù)。

然而，大約在1999年生產(chǎn)了第一批設(shè)備，此后，包括Ramtron，F(xiàn)ujitsu，Texas Instruments，三星，Matsushita，Infineon和其他公司在內(nèi)的公司一直在使用該技術(shù)。

鐵電存儲(chǔ)器的使用

當(dāng)前，鐵電RAM尚未像包括DRAM和閃存在內(nèi)的許多更成熟的技術(shù)廣泛使用。這些技術(shù)已經(jīng)根深蒂固，并且已廣泛使用。

由于開發(fā)人員通常傾向于依賴可保證提供其所需性能的受信任技術(shù)，因此他們通常不愿意使用未保證提供的技術(shù)（例如FRAM）。同樣，諸如內(nèi)存密度之類的問題限制了可用內(nèi)存的大小，也導(dǎo)致它們無(wú)法得到如此廣泛的使用。

但是，現(xiàn)在正使用CMOS技術(shù)將FRAM技術(shù)嵌入芯片中，以使MCU擁有自己的FRAM存儲(chǔ)器。與將閃存集成到MCU芯片所需的數(shù)量相比，這需要更少的階段，從而顯著降低了成本。

除了存儲(chǔ)器的非易失性之外，另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是其非常低的功耗，非常適合在功耗通常是關(guān)鍵問題的MCU中使用。

鐵電存儲(chǔ)器的優(yōu)勢(shì)

FRAM的特性意味著它適合許多不同的用途。但是，能夠?qū)RAM的性能和參數(shù)與其他已建立的內(nèi)存技術(shù)進(jìn)行比較非常有用。

鐵電存儲(chǔ)器的優(yōu)勢(shì)包括：更低的功耗，更快的寫入性能和更大的最大讀取/寫入耐久性（大約10 10］至10 14 個(gè)周期）。鐵電存儲(chǔ)器在+85°C時(shí)的數(shù)據(jù)保留時(shí)間超過10年（在較低溫度下長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年）。鐵電存儲(chǔ)器的市場(chǎng)劣勢(shì)是比閃存設(shè)備低得多的存儲(chǔ)密度，存儲(chǔ)容量限制和更高的成本。像DRAM一樣，鐵電存儲(chǔ)器的讀取過程具有破壞性，因此需要先寫入后讀取架構(gòu)。

FRAM可以提供許多優(yōu)勢(shì)，并且可以在許多領(lǐng)域中使用，但是在許多情況下，F(xiàn)RAM存儲(chǔ)器的使用是許多特定電路設(shè)計(jì)需要具備的特性和參數(shù)之間的平衡。

鐵電RAM運(yùn)行和技術(shù)基于具有可逆電極化的電介質(zhì)特性晶體。

FRAM存儲(chǔ)器技術(shù)是非易失性的，它結(jié)合了幾乎無(wú)限數(shù)量的讀寫周期。FRAM存儲(chǔ)器技術(shù)還提供了非常低的功耗，使其成為許多應(yīng)用程序中存儲(chǔ)器的競(jìng)爭(zhēng)者。

盡管該技術(shù)比其他更成熟的技術(shù)密度低，并且具有較高的成本，但是隨著開發(fā)的進(jìn)展，這些問題正在得到解決。

鐵電效應(yīng)是什么

就像存儲(chǔ)器的名稱所暗示的那樣，鐵電RAM技術(shù)依賴于鐵電效應(yīng)對(duì)其進(jìn)行操作。這種效應(yīng)使電介質(zhì)能夠根據(jù)施加的電壓改變其極化。

在一組稱為鈣鈦礦的材料中觀察到鐵電效應(yīng)。這些材料具有以原子為中心的晶體結(jié)構(gòu)。該原子具有兩個(gè)相等且穩(wěn)定的低能態(tài)，它們決定了原子的位置。

這是屬于此類別的多種不同化合物。這些物質(zhì)包括：鋯鈦酸鉛等。

如果在所需平面上向晶體施加電場(chǎng)，則原子將沿電場(chǎng)方向移動(dòng)。然后，原子的位置決定了材料的狀態(tài)，進(jìn)而可以用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

當(dāng)原子位于頂部位置時(shí)，鐵電材料的兩個(gè)狀態(tài)稱為“上極化”，而當(dāng)原子位于底部位置時(shí)，稱為“下極化”。

鐵電晶體向上極化

鐵電晶體下極化

過渡過程中需要能量，這意味著存在一個(gè)鐵電材料在其上運(yùn)行的磁滯回線。

鐵電磁滯回線

應(yīng)該注意的是，鐵電晶體不包含任何鐵質(zhì)材料。而且它們不受磁性影響。取而代之的是，材料是根據(jù)與電壓相關(guān)的電荷圖與磁性材料的BH曲線繪制的相似性而得名。

FRAM存儲(chǔ)器如何工作？

可以看出，鐵電材料中可以存在兩種不同的狀態(tài)?？梢栽?a target="_blank">電容器中使用它來(lái)為存儲(chǔ)單元?jiǎng)?chuàng)建兩個(gè)狀態(tài)。

可以通過施加相關(guān)場(chǎng)來(lái)使電容器向上或向下極化。

鐵電RAM中使用的鐵電電容器和極化

鐵電電容器極化

FRAM操作的關(guān)鍵是鐵電電容器的電容是可變的。如果在施加電場(chǎng)時(shí)未切換電容器，即極化沒有變化，則電容器表現(xiàn)為正常的線性方式。但是，如果進(jìn)行了開關(guān)，則會(huì)感應(yīng)出額外的電荷，這一定是由于電容的增加所致。

為了使這種效果能夠用于存儲(chǔ)單元中，使用了附加的有源元件，即FET。該單元具有字線和位線，以使單個(gè)單元能夠被訪問。

基本鐵電RAM，F(xiàn)RAM存儲(chǔ)單元

FRAM讀取周期

FRAM存儲(chǔ)器的讀取操作需要多個(gè)階段。它與動(dòng)態(tài)RAM DRAM中使用的非常相似。僅將位線電壓與參考電壓進(jìn)行比較。該參考電壓設(shè)置在兩個(gè)電平之間，即高于未開關(guān)電壓和低于開關(guān)電壓。然后，感測(cè)放大器用作比較器，將差值放大以提供邏輯1或邏輯0。

為了更仔細(xì)地觀察該序列，該單元將最初處于其非活動(dòng)狀態(tài)，其中位線為低，板線為低，字線為低，如“ A”所示。然后，它將繼續(xù)執(zhí)行內(nèi)存訪問序列。

鐵電存儲(chǔ)單元訪問順序

通過將電壓施加到“ B”中定義的字線和極板線上來(lái)開始訪問操作。

有兩種情況需要考慮。通過在電容器兩端施加電壓，電容器將根據(jù)其狀態(tài)而切換或不切換。

電容器狀態(tài)切換的位置：這些電壓在鐵電電容器上產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)，該電場(chǎng)按‘’‘’C‘’‘’所示進(jìn)行切換。

該開關(guān)過程感應(yīng)出電荷，該電荷與Cbit表示的位線電容和開關(guān)鐵電電容器Cs共享。晶體管和其他互連寄生電容也會(huì)產(chǎn)生小的電容，但是效果通常很小。

因此，位線上的合成電壓與電容之比Cs：Cbit成正比。因此，位線上的電壓為Cs / Cbit x Vdd。

電容器狀態(tài)不切換：如果電容器不切換，則不會(huì)產(chǎn)生額外的電荷。

可以看出，在讀取操作中可以改變單元內(nèi)的數(shù)據(jù)，即，讀取FRAM存儲(chǔ)單元是破壞性的過程。因此，如果更改了該單元，則需要重新寫入該單元。

FRAM存儲(chǔ)器操作經(jīng)過設(shè)計(jì)，以使在開關(guān)電容器中感應(yīng)出的電荷至少是未開關(guān)電容器可用電荷的兩倍。這意味著開關(guān)電容必須至少是未開關(guān)電容的兩倍。然后得出的結(jié)論是，轉(zhuǎn)換后的情況下的位線電壓將至少是未轉(zhuǎn)換時(shí)的電壓的兩倍。

可以使用類似于DRAM中使用的讀出放大器來(lái)感測(cè)該電壓。

與DRAM一樣，F(xiàn)RAM具有周期時(shí)間。這意味著連續(xù)的隨機(jī)訪問之間的時(shí)間等于周期時(shí)間，而不僅僅是訪問時(shí)間。

FRAM存儲(chǔ)器寫操作

用于寫入存儲(chǔ)器地址的FRAM操作使用與讀取操作相同的基本原理。存儲(chǔ)器的控制電路在鐵電電容器上沿所需方向施加磁場(chǎng)以寫入所需數(shù)據(jù)。

一旦就位，即使從芯片上斷開電源，數(shù)據(jù)也將保持完整。由于需要能量才能將內(nèi)存從一種狀態(tài)切換到另一種狀態(tài)，因此電荷不會(huì)像其他類型的內(nèi)存（包括DRAM或什至閃存）那樣在很小的程度上泄漏出去，并且會(huì)無(wú)限期保持不變。

FRAM存儲(chǔ)器的操作相對(duì)簡(jiǎn)單。單個(gè)FET單元與包含鐵電介質(zhì)的電容器一起使用。這些存儲(chǔ)器可以實(shí)現(xiàn)的密度尚不能達(dá)到其他技術(shù)，但是其非易失性和長(zhǎng)壽命意味著它是許多應(yīng)用程序的競(jìng)爭(zhēng)者。
編輯：hfy