鐵電存儲器工作原理和器件結構

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

傳統的主流半導體存儲器可以分為兩類(lèi)：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(dòng)態(tài)存儲器DRAM(Dynamic Random Access Memory)。SRAM和DRAM在掉電的時(shí)候均會(huì )失去保存的數據。RAM類(lèi)型的存儲器易于使用、性能好，可是它們同樣會(huì )在掉電的情況下失去所保存的數據。

非易失性存儲器在掉電的情況下并不會(huì )丟失所存儲的數據。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(chēng)為只讀存儲器的東西肯定不容易進(jìn)行寫(xiě)入操作，而事實(shí)上是根本不能寫(xiě)入。所有由ROM技術(shù)研發(fā)出的存儲器則都具有寫(xiě)入信息困難的特點(diǎn)。這些技術(shù)包括有EPROM、EEPROM和Flash。這些存儲器不僅寫(xiě)入速度慢，而且只能有限次的擦寫(xiě)，寫(xiě)入時(shí)功耗大。

相對于其他類(lèi)型的半導體技術(shù)而言，鐵電存儲器具有一些獨一無(wú)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(lèi)存儲類(lèi)型問(wèn)搭起了一座跨越溝壑的橋梁——一種非易失性的RAM。同傳統的非易失性存儲器相比，鐵電存儲器具有功耗小、讀寫(xiě)速度快、抗輻照能力強等優(yōu)點(diǎn)，因此受到很大關(guān)注。

2 鐵電存儲器工作原理

當一個(gè)電場(chǎng)被加到鐵電晶體時(shí)，中心原子順著(zhù)電場(chǎng)的方向在晶體里移動(dòng)。當原子移動(dòng)時(shí)，它通過(guò)一個(gè)能量壁壘，從而引起電荷擊穿。內部電路感應到電荷擊穿并設置存儲器。移去電場(chǎng)后，中心原子保持不動(dòng)，存儲器的狀態(tài)也得以保存。

因此，在一個(gè)外加電場(chǎng)下，鐵電材料的極化特性會(huì )發(fā)生改變，當這個(gè)電場(chǎng)去掉以后，這個(gè)信息仍然能夠保存。沒(méi)有外加電場(chǎng)的情況下，極化特性有兩種穩定的狀態(tài)。圖1是一個(gè)鐵電材料電容的電滯回線(xiàn)，顯示了鐵電電容在所加不同電場(chǎng)的情況下的不同極性。其中，最重要的兩個(gè)參數是剩余極化程度Pr，和矯頑場(chǎng)Ec。在沒(méi)有電場(chǎng)強度的情況下，+／-Pr就表示了“0”、“1”兩個(gè)狀態(tài)。為了獲得這兩個(gè)狀態(tài)，所加電場(chǎng)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(méi)有EEPROM、FLASH之類(lèi)的傳統非易失性存儲器那么重要，因為FeRAM的信息存儲是由極化來(lái)實(shí)現的，而不是自由電子。

3 鐵電材料簡(jiǎn)介

理想的鐵電材料需要滿(mǎn)足如下特點(diǎn)：

?介電常數??；

?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(chǎng)Ec較??；

?能夠承受一定的擊穿場(chǎng)強；

?內在開(kāi)關(guān)速度要快(納秒級別)；

?數據的保持能力和持久能力要好；

?如果是軍方使用的話(huà)，還要求能夠抗輻照；

?化學(xué)穩定性要好；

?加工均勻性好；

?易于集成到CMOS工藝中去；

?對周?chē)娐窡o(wú)不良影響；

?污染小等。

經(jīng)過(guò)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。這兩種材料的結構示意圖如圖2所示。

PZT是研究最多、使用最廣泛的，它的優(yōu)點(diǎn)是能夠在較低的溫度下制備，可以用濺射和MOCVD的方法來(lái)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(diǎn)；缺點(diǎn)是有疲勞退化問(wèn)題，還有含鉛會(huì )對環(huán)境造成污染。

SBT最大的優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有疲勞退化的問(wèn)題，而且不含鉛，符合歐盟環(huán)境標準；但是它的缺點(diǎn)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(jiàn)表1。

目前從環(huán)境保護的角度來(lái)說(shuō)，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(lái)說(shuō)，SBT與PZT相比沒(méi)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構

鐵電存儲器的電路結構主要分成以下三種：2晶體管-2電容(2T2C)、1晶體管-2電容(