鐵電存儲(chǔ)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(duì)于非易失性存儲(chǔ)器的需求越來(lái)越大，讀寫速度要求越來(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：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 Random 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，被稱為只讀存儲(chǔ)器的東西肯定不容易進(jìn)行寫入操作，而事實(shí)上是根本不能寫入。所有由ROM技術(shù)研發(fā)出的存儲(chǔ)器則都具有寫入信息困難的特點(diǎn)。這些技術(shù)包括有EPROM、EEPROM和Flash。這些存儲(chǔ)器不僅寫入速度慢，而且只能有限次的擦寫，寫入時(shí)功耗大。

相對(duì)于其他類型的半導(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)器在這兩類存儲(chǔ)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(chǔ)器相比，鐵電存儲(chǔ)器具有功耗小、讀寫速度快、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，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有EEPROM、FLASH之類的傳統(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足如下特點(diǎn)：

?介電常數(shù)小；

?合理的自極化程度(～5μC／cm2)；

?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較小；

?能夠承受一定的擊穿場(chǎng)強(qiáng)；

?內(nèi)在開關(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，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)周圍電路無(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)是沒有疲勞退化的問題，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)主要分成以下三種：2晶體管-2電容(2T2C)、1晶體管-2電容(