铁电存储器工作原理和器件结构

铁电存储器工作原理和器件结构
摘要：铁电存储器与传统的非易失性存储器相比，具有功耗小、读写速度快、抗辐照能力强等优点，因此在一些特殊应用领域具有很好的市场。

文章介绍了铁电存储器的基本工作原理，并介绍了两种主流的铁电材料。

文章还介绍了铁电存储器的电路结构，包括2T2C、1T1C、1T2C以及链式结构，并说明了铁电存储器的读写过程。

铁电存储器的器件结构主要有Planar 结构和Stacked 结构两种。

Planar 结构制作工艺相对简单，但是集成度不高。

Stacked 结构的集成度更高，对工艺的要求也更高。

1 铁电存储器简介
随着IT 技术的不断发展，对于非易失性存储器的需求越来越大，读写速度要求越来越快，功耗要求越来越小，现有的传统非易失性存储器，如EEPROM、FLASH 等已经难以满足这些需要了。

传统的主流半导体存储器可以分为两类：易失性和非易失性。

易失性存储器包括静态存储器SRAM（Static RandomAccessMemory）和动态存储器DRAM（Dynamic RandomAccessMemory）。

SRAM和DRAM在掉电的时候均会失去保存的数据。

RAM 类型的存储器易于使用、性能好，可是它们同样会在掉电的情况下失去所保存的数据。

非易失性存储器在掉电的情况下并不会丢失所存储的数据。

然而所有的主流非易失性存储器均源自于只读存储器（ROM）技术。

正如你所猜想的一样，被称为只读存储器的东西肯定不容易进行写入操作，而事实上是根本不能写入。

所有由ROM技术研发
出的存储器则都具有写入信息困难的特点。

这些技术包括有EPROM、EEPROM和Flash。

这些存储器不仅写入速度慢，而且只能有限次的擦写，写入时功耗大。

相对于其他类型的半导体技术而言，铁电存储器具有一些独一无二的特性。

铁电存储器能兼容RAM的一切功能，并且和ROM技术一样，是一种非易失性的存储器。

铁电存储器在这两类存储类型间搭起了一座跨越沟壑的桥梁——一种非易失性的RAM。

同传统的非易失性存储器相比，铁电存储器具有功耗小、读写速度快、抗辐照能力强等优点，因此受到很大关注。

2 铁电存储器工作原理
当一个电场被加到铁电晶体时，中心原子顺着电场的方向在晶体里移动。

当原子移动时，它通过一个能量壁垒，从而引起电荷击穿。

内部电路感应到电荷击穿并设置存储器。

移去电场后，中心原子保持不动，存储器的状态也得以保存。

因此，在一个外加电场下，铁电材料的极化特性会发生改变，当这个电场去掉以后，这个信息仍然能够保存。

没有外加电场的情况下，极化特性有两种稳定的状态。

图1 是一个铁电材料电容的电滞回线，显示了铁电电容在所加不同电场的情况下的不同极性。

其中，最重要的两个参数是剩余极化程度P r，和矫顽场E c。

在没有电场强度的情况下，+/-P r 就表示了“0”、“1”两个状态。

为了获得这两个状态，所加电场必须大于+/-E c，因此，所需要的阈值电压也就确定了。

相比之下，铁电电容的漏电流没有EEPROM、FLASH 之类的传统非易失性存储器那么重要，因为eRAM的信息存储是由极化来实现的，而不是自由电子。

3 铁电材料简介
理想的铁电材料需要满足如下特点：
●介电常数小；
●合理的自极化程度（~5μC/cm2）；
●高的居里温度（在器件的存储和工作温度范围之外）；
●铁电材料厚度要薄（亚微米）以使矫顽场E c较小；
●能够承受一定的击穿场强；
●内在开关速度要快（纳秒级别）；
●数据的保持能力和持久能力要好；
●如果是军方使用的话，还要求能够抗辐照；
●化学稳定性要好；
●加工均匀性好；
●易于集成到CMOS 工艺中去；
●对周围电路无不良影响；
●污染小等。

经过多年的研究，目前主流的铁电材料主要有以下两种：PZT、SBT。

PZT 是锆钛酸铅PbZrxTi1-xO3；SBT 是钽酸锶铋Sr1-yBi2+xTa2O9。

这两种材料的结构示意图如图2所示。

PZT 是研究最多、使用最广泛的，它的优点是能够在较低的温度下制备，可以用溅射和MOCVD的方法来制备，具有剩余极化较大、原材料便宜、晶化温度较低的优点；缺点是有疲劳退化问题，还有含铅会对环境造成污染。

SBT 最大的优点是没有疲劳退化的问题，而且不含铅，符合欧盟环境标准；但是它的缺点是工艺温度较高，使之工艺集成难度增大，剩余极化程度较小。

两种材料的对比见表1。

目前从环境保护的角度来说，PZT 已经被禁止使用了，但是从铁电存储器的性能和工艺集成的难易和成本的角度来说，SBT与PZT相比没有优势，因此目前关于铁电材料的选择还值得探讨。

4 铁电存储器的电路结构
铁电存储器的电路结构主要分成以下三种：2晶体管-2电容（2T2C）、1晶体管-2电容（1T2C）、1晶体管-1电容（1T1C），如图 3 所示。

2T2C结构由于每一位都有两个相反的电容互为参考，因此可靠性比较好，但是所占面积太大，不适合高密度的应用。

晶体管/ 单电容器结构可以像DRAM一样，使用单电容器为存储器阵列的每一列提供参考。

与现有的2T/2C结构相比，它有效地把内存单元所需要的面积减少一半。

这种设计极大地提高了铁电存储器的效率，降低了铁电存储器产品的生产成本。

1T1C 结构的集成密度较高（8F2），但是可靠性较差，1T2C结构是这两种结构的折衷。

目前，为了获得高密度的存储器，大多采用1T1C的结构。

此外，还有一种链式结构也被采用，这种结构类似于NAND 的结构，通过这种方法，可以获得比1T1C更高的存储密度，但是这种方法也会使得存取时间大大增加。

Chain FeRAM（CFeRAM）结构如图5所示。

5 铁电存储器读写过程
根据内存单元的极性状态，电荷电量小则为“0”，电荷电量大则为“1”。

这个电荷转化为一个读出电压，小于参考电压则为“0”，大于参考电压则为“1”。

由此读出所存储的信息，见图6。

进行读操作时，升高字线电压使MOS 管导通，再使驱动线电压升高为V CC，从而存储电容的不同电荷将部分分配到位线寄生电容中去，于是BL 上呈现出不同的电压，从而鉴别出数据。

进行写操作时，升高字线使MOS 管导通，驱动线加一脉冲，从而将位线上不同数据存入铁电电容的两个不同稳态。

通过加一个正电压或者一个负电压，这两种电压能够使电容变成两个不同的极性，通过这种方式把信息写入内存中。

6 铁电存储器的器件结构
目前铁电存储器最常见的器件结构是Planar（平面式）和Stack （堆叠式）结构，两者的区别在于铁电电容的位置还有电容与MOS 管互连的方式。

在Planar 结构中，将电容置于场氧上面，通过金属铝，将电容上电极和MOS 管有源区相连，工艺相对简单，但单元面积较大；而在Stack 结构中，将电容置于有源区，通过塞子（Plug）将电容下电极和MOS 管源端相连，需要CMP 工艺，集成密度较高。

另外，Stack结构可以采用铁电电容制作在金属线上的做法，从而减少铁电电容在形成过程中对工艺的相互影响。

两种结构示意图如图7 和图8 所示。

Planar结构的工艺相对简单，其隔离采用LOCOS结构，且平坦化不需要使用CMP。

而Stacked 结构的集成度较高，但是所用工艺相对先进，隔离采用STI，平坦化需要使用CMP，导线可以使用Cu。

除此之外，还有一种结构，是采用铁电材料作栅极，这样的器件能够完全消除读出的破坏性问题，而且从理论上来说也更加节约面积，能够实现更大的集成度。

但是这种结构目前还存在很严重的问题，数据保存能力很差，目前报道的最好的数据保存能力也只有一个月而已，所以距离实用还很遥远。

图9是这种结构的示意图。

目前铁电存储器的线宽在0.5μm以上的时候一般都采用Planar结构，在0.5μm以下的时候一般都采用Stack结构。

7 总结
铁电存储器是新兴的非易失性存储器，它的起步比较早，率先实现了产业化，由于其具有功耗小、读写速度快、抗辐照能力强的优点，在一些需要快速存取、低功耗和抗辐照的小规模存储领域有市场。

但是铁电存储器也存在集成度提高比较困难、工艺沾污较为严重、难以和传统CMOS 工艺相互兼容的缺点，有待进一步研究解决。

参考文献：
[1]Hidemi Takasu . Ferro electric memories and theirapplications.Current status and challenges of ferroelectricmemory devices[C].Microelectronic Engineering, 2009.
［2］J.F. Scott. New developments on FRAMs：3D structuresand all-perovskite FETs[C]. Materials Science andEngineering,2008. ［3］高晓云，刘庆锁，陆翠敏。

PZT基体上局部沉积NiTiSMA薄膜材料的组织结构研究。

中国功能材料及其应用学术会议论文第4分册，2010年。

［4］周欣，铁电存储器FRAM在风速仪中的应用。

电气电子教学学报，2009年［5］肖定全，铁电薄膜研究中的几个重要问题。

功能材料，2010年05期。