铁电存储器工作原理和器件结构

2012-04-03 09:41:52来源: 互联网
 
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 Random Access Memory)和动态存储器DRAM(Dynamic Random Access Memory)。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问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Pr,和矫顽场Ec。在没有电场强度的情况下,+/-Pr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+/-Ec,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FeRAM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Ec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PbZrxTil-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VCC,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,两者的区别住干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。

关键字:铁电  存储器  工作原理  器件结构

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2012/0403/article_15581.html
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