基于鐵電存儲(chǔ)器工作原理和器件結(jié)構(gòu)

1、    基于鐵電存儲(chǔ)器工作原理和器件結(jié)構(gòu)    基于鐵電存儲(chǔ)器工作原理和器件結(jié)構(gòu)    類(lèi)別：存儲(chǔ)器      1 鐵電存儲(chǔ)器簡(jiǎn)介 隨著IT技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)于非易失性存儲(chǔ)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(xiàn)有的傳統(tǒng)非易失性存儲(chǔ)器，如EEPROM、FLASH等已經(jīng)難以滿(mǎn)足這些需要了。 傳統(tǒng)的主流半導(dǎo)體存儲(chǔ)器可以分為兩類(lèi)：易失性和非易失性。易失性存儲(chǔ)器包括靜態(tài)存儲(chǔ)器SRAM(Static Ran

2、dom Access Memory)和動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)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(shù)據(jù)。RAM類(lèi)型的存儲(chǔ)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(shù)據(jù)。 非易失性存儲(chǔ)器在掉電的情況下并不會(huì)丟失所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。然而所有的主流非易失性存儲(chǔ)器均源自于只讀存儲(chǔ)器(ROM)技術(shù)。正如你所猜想的一樣，被稱(chēng)為只讀存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)器不僅寫(xiě)入速度慢，而且只能

3、有限次的擦寫(xiě)，寫(xiě)入時(shí)功耗大。 相對(duì)于其他類(lèi)型的半導(dǎo)體技術(shù)而言，鐵電存儲(chǔ)器具有一些獨(dú)一無(wú)二的特性。鐵電存儲(chǔ)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(chǔ)器。鐵電存儲(chǔ)器在這兩類(lèi)存儲(chǔ)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(tǒng)的非易失性存儲(chǔ)器相比，鐵電存儲(chǔ)器具有功耗小、讀寫(xiě)速度快、抗輻照能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此受到很大關(guān)注。 2 鐵電存儲(chǔ)器工作原理 當(dāng)一個(gè)電場(chǎng)被加到鐵電晶體時(shí)，中心原子順著電場(chǎng)的方向在晶體里移動(dòng)。當(dāng)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(nèi)部電路感應(yīng)到電荷擊穿并設(shè)置存儲(chǔ)器。移去電場(chǎng)后，中心原子保持不動(dòng)，存儲(chǔ)器的狀態(tài)也得以保存。 因此，在一個(gè)外加

4、電場(chǎng)下，鐵電材料的極化特性會(huì)發(fā)生改變，當(dāng)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(wěn)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(shù)是剩余極化程度Pr，和矯頑場(chǎng)Ec。在沒(méi)有電場(chǎng)強(qiáng)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(tǒng)非易失性存儲(chǔ)器那么重要，因?yàn)镕eRAM的信息存儲(chǔ)是由極化來(lái)實(shí)現(xiàn)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

5、如下特點(diǎn)： ?介電常數(shù)??； ?合理的自極化程度(5Ccm2)； ?高的居里溫度(在器件的存儲(chǔ)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(qiáng)； ?內(nèi)在開(kāi)關(guān)速度要快(納秒級(jí)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(huà)，還要求能夠抗輻照； ?化學(xué)穩(wěn)定性要好； ?加工均勻性好； ?易于集成到CMOS工藝中去； ?對(duì)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(jié)構(gòu)示意圖如圖2

6、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(duì)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(biāo)準(zhǔn)；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(duì)比見(jiàn)表1。 目前從環(huán)境保護(hù)的角度來(lái)說(shuō)，PZT已經(jīng)被禁止使用了，但是從鐵電存儲(chǔ)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(shì)，因此目前關(guān)于鐵電材料的選擇還值得探討。 4 鐵電存儲(chǔ)器的電路結(jié)構(gòu) 鐵電存儲(chǔ)器的電路結(jié)構(gòu)主要分成以

7、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(gè)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(yīng)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(chǔ)器陣列的每一列提供參考。與現(xiàn)有的2T2C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(jì)極大地提高了鐵電存儲(chǔ)器的效率，降低了鐵電存儲(chǔ)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(chǔ)器，大多采用1T1C的結(jié)構(gòu)。 此外，還有一種鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)也

8、被采用，這種結(jié)構(gòu)類(lèi)似于NAND的結(jié)構(gòu)，通過(guò)這種方法，可以獲得比1T1C更高的存儲(chǔ)密度，但是這種方法也會(huì)使得存取時(shí)間大大增加。Chain FeRAM (CFeRAM)結(jié)構(gòu)如圖5所示。 5 鐵電存儲(chǔ)器讀寫(xiě)過(guò)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(gè)電荷轉(zhuǎn)化為一個(gè)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(chǔ)的信息，見(jiàn)圖6。 進(jìn)行讀操作時(shí)，升高字線(xiàn)電壓使MOS管導(dǎo)通，再使驅(qū)動(dòng)線(xiàn)電壓升高為VCC，從而存儲(chǔ)電容的不同電荷將部分分配到位線(xiàn)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(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)，升高字線(xiàn)使MOS管導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)線(xiàn)加一脈沖

9、，從而將位線(xiàn)上不同數(shù)據(jù)存入鐵電電容的兩個(gè)不同穩(wěn)態(tài)。 通過(guò)加一個(gè)正電壓或者一個(gè)負(fù)電壓，這兩種電壓能夠使電容變成兩個(gè)不同的極性，通過(guò)這種方式把信息寫(xiě)入內(nèi)存中。 6 鐵電存儲(chǔ)器的器件結(jié)構(gòu) 目前鐵電存儲(chǔ)器最常見(jiàn)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(chǎng)氧上面，通過(guò)金屬鋁，將電容上電極和MOS管有源區(qū)相連，工藝相對(duì)簡(jiǎn)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(guò)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

10、作在金屬線(xiàn)上的做法，從而減少鐵電電容在形成過(guò)程中對(duì)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(duì)簡(jiǎn)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(duì)先進(jìn)，隔離采用STI，平坦化需要使用CMP，導(dǎo)線(xiàn)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(wèn)題，而且從理論上來(lái)說(shuō)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?chē)?yán)重的問(wèn)題，數(shù)據(jù)保存能力很差，目前報(bào)道的最好的數(shù)據(jù)保存能力也只有一個(gè)月而已，所以距離實(shí)用還很遙遠(yuǎn)。圖9是這種結(jié)構(gòu)的示意圖。 目前鐵電存儲(chǔ)器的線(xiàn)寬在0.5m以上的時(shí)候一般都采用Planar結(jié)構(gòu)，在0.5m以下的時(shí)候一般都采用