鐵電存儲器工作原理和器件結(jié)構(gòu)-

1、-35 - 收稿日期:2008-03-21鐵電存儲器工作原理和器件結(jié)構(gòu)馬良(中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所,江蘇 無錫 214035摘要:鐵電存儲器與傳統(tǒng)的非易失性存儲器相比,具有功耗小、讀寫速度快、抗輻照能力強(qiáng)等優(yōu)點,因此在一些特殊應(yīng)用領(lǐng)域具有很好的市場。文章介紹了鐵電存儲器的基本工作原理,并介紹了兩種主流的鐵電材料。文章還介紹了鐵電存儲器的電路結(jié)構(gòu),包括2T2C 、1T1C 、1T2C 以及鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu),并說明了鐵電存儲器的讀寫過程。鐵電存儲器的器件結(jié)構(gòu)主要有Planar 結(jié)構(gòu)和Stacked 結(jié)構(gòu)兩種。Planar 結(jié)構(gòu)制作工藝相對簡單,但是集成度不高。Stacked 結(jié)構(gòu)的集成度更高,對

2、工藝的要求也更高。關(guān)鍵詞:鐵電存儲器;PZT ;SBT中圖分類號:TN405 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1681-1070(200808-0035-04The Work Principle and Device Structure of FeramMA Liang(China Electronics T echnology Group Corporation No .58 Research Institute , Wuxi 214035, China Abstract: Feram is competitive in specialized applications where its pro

3、perties (lower write voltage, faster write speed, and much greater write-erase endurance give it a compelling advantage over flash memory.This article introduces ferams work principle, and tow mainstream ferroelectric materials. This article introduces ferams circuit structure, including 2T2C, 1T1C,

4、 1T2C and chain feram. Feram has two device structures :Planar structure and stacked structure. Stacked structure feram need more advanced process technology and gets higher density than planar structure feram.Key words: feram; PZT; SBT1 鐵電存儲器簡介隨著IT 技術(shù)的不斷發(fā)展,對于非易失性存儲器的需求越來越大,讀寫速度要求越來越快,功耗要求越來越小,現(xiàn)有的傳統(tǒng)

5、非易失性存儲器,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)體存儲器可以分為兩類: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 和動態(tài)存儲器DRAM (Dynamic Random Access Memory 。 SRAM 和DRAM 在掉電的時候均會失去保存的數(shù)據(jù)。RAM 類型的存儲器易于使用、性能好,可是它們同樣會在掉電的情況下失去所保存的數(shù)據(jù)。非易失性存儲器在掉電的情況下并不會丟失所存儲的數(shù)據(jù)。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,被稱為只讀存儲器的東西

6、肯定不容易進(jìn)行寫入操作,而事實上是根本不能寫入。所有由ROM 技術(shù)研發(fā)出的存儲器則都具有寫入信息困難的特點。這些技術(shù)包括有EPROM 、EEPROM 和Flash 。 這些存儲器不僅寫入速度慢,而且只能有限次的擦寫,寫入時功耗大。相對于其他類型的半導(dǎo)體技術(shù)而言,鐵電存儲器具有一些獨一無二的特性。鐵電存儲器能兼容RAM 的電子與封裝第8卷第8期一切功能,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存儲類型間搭起了一座跨越溝壑的橋梁一種非易失性的RAM。同傳統(tǒng)的非易失性存儲器相比,鐵電存儲器具有功耗小、讀寫速度快、抗輻照能力強(qiáng)等優(yōu)點,因此受到很大關(guān)注。2 鐵電存儲器工作原理當(dāng)一

7、個電場被加到鐵電晶體時,中心原子順著電場的方向在晶體里移動。當(dāng)原子移動時,它通過一個能量壁壘,從而引起電荷擊穿。內(nèi)部電路感應(yīng)到電荷擊穿并設(shè)置存儲器。移去電場后,中心原子保持不動,存儲器的狀態(tài)也得以保存。因此,在一個外加電場下,鐵電材料的極化特性會發(fā)生改變,當(dāng)這個電場去掉以后,這個信息仍然能夠保存。沒有外加電場的情況下,極化特性有兩種穩(wěn)定的狀態(tài)。圖1是一個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的情況下的不同極性。其中,最重要的兩個參數(shù)是剩余極化程度P r,和矯頑場E c。在沒有電場強(qiáng)度的情況下,+/-P r就表示了“0”、“1”兩個狀態(tài)。為了獲得這兩個狀態(tài),所加電場必須大于+/-E

8、 c,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)非易失性存儲器那么重要,因為FeRAM的信息存儲是由極化來實現(xiàn)的,而不是自由電子。圖1 鐵電電容電滯回線3 鐵電材料簡介理想的鐵電材料需要滿足如下特點:介電常數(shù)小;合理的自極化程度(5C/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E c 較小;能夠承受一定的擊穿場強(qiáng);內(nèi)在開關(guān)速度要快(納秒級別;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;對周圍電路無不良影響;污染小

9、等。經(jīng)過多年的研究,目前主流的鐵電材料主要有以下兩種:PZT、SBT。PZT是鋯鈦酸鉛 PbZr x Ti1-x O3;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。圖2 PZT、SBT材料結(jié)構(gòu)示意圖PZT是研究最多、使用最廣泛的,它的優(yōu)點是能夠在較低的溫度下制備,可以用濺射和MOCVD的方法來制備,具有剩余極化較大、原材料便宜、晶化溫度較低的優(yōu)點;缺點是有疲勞退化問題,還有含鉛會對環(huán)境造成污染。SBT最大的優(yōu)點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。兩種材料的對比見表1。目前從

10、環(huán)境保護(hù)的角度來說,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說,SBT與PZT相比沒有優(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(jié)構(gòu)鐵電存儲器的電路結(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(1T2C、1晶體管-1電容(1T1C,如圖3所示。2T2C 結(jié)構(gòu)由于每-36 -第8卷第8期表1 兩種材料比較圖3 三種鐵電存儲器結(jié)構(gòu)圖4 1T1C鐵電存儲器layout一位都有兩個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器陣列的每

11、一列提供參考。與現(xiàn)有的2T/2C 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)計極大地提高了鐵電存儲器的效率,降低了鐵電存儲器產(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)也被采用,這種結(jié)構(gòu)類似于NAND的結(jié)構(gòu),通過這種方法,可以獲得比1T1C 更高的存儲密度,但是這種方法也會使得存取時間大大增加。Chain FeRAM (CFeRAM結(jié)構(gòu)如圖5所示。圖5 Chain FeRAM (CFeRAM電路結(jié)構(gòu)5 鐵電存儲器讀寫過程根據(jù)內(nèi)存單元的極性狀態(tài),電荷

12、電量小則為“0”,電荷電量大則為“1”。這個電荷轉(zhuǎn)化為一個讀出電壓,小于參考電壓則為“0”,大于參考電壓則為“1”。由此讀出所存儲的信息,見圖6。進(jìn)行讀操作時,升高字線電壓使MOS管導(dǎo)通,再使驅(qū)動線電壓升高為VCC,從而存儲電容的不同電荷將部分分配到位線寄生電容中去,于是BL上呈現(xiàn)出不同的電壓,從而鑒別出數(shù)據(jù)。進(jìn)行寫操作時,升高字線使MOS管導(dǎo)通,驅(qū)動線加一脈沖,從而將位線上不同數(shù)據(jù)存入鐵電電容的兩個不同穩(wěn)態(tài)。通過加一個正電壓或者一個負(fù)電壓,這兩種電壓能夠使電容變成兩個不同的極性,通過這種方式馬良:鐵電存儲器工作原理和器件結(jié)構(gòu)-37 -38 -電子與封裝第8卷第8 期把信息寫入內(nèi)存中。圖7 P

13、lanar 結(jié)構(gòu)示意圖圖8 Stacked 結(jié)構(gòu)示意圖極,這樣的器件能夠完全消除讀出的破壞性問題,而且從理論上來說也更加節(jié)約面積,能夠?qū)崿F(xiàn)更大的集成度。但是這種結(jié)構(gòu)目前還存在很嚴(yán)重的問題,數(shù)據(jù)保存能力很差,目前報道的最好的數(shù)據(jù)保存能力也只有一個月而已,所以距離實用還很遙遠(yuǎn)。圖9是這種結(jié)構(gòu)的示意圖。圖9 采用鐵電材料作柵極的FeFET 的結(jié)構(gòu)示意圖Planar 結(jié)構(gòu)的工藝相對簡單,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,但是所用工藝相對先進(jìn),隔離采用STI ,平坦化需要使用CMP ,導(dǎo)線可以使用Cu 。除此之外,還有一種結(jié)構(gòu),是采用鐵電材料作柵

14、圖6 鐵電存儲器讀寫過程示意圖目前鐵電存儲器的線寬在0.5m 以上的時候一般都采用Planar 結(jié)構(gòu),在0.5m 以下的時候一般都采用Stack 結(jié)構(gòu)。7 總結(jié)鐵電存儲器是新興的非易失性存儲器,它的起步比較早,率先實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化,由于其具有功耗小、讀寫速度快、抗輻照能力強(qiáng)的優(yōu)點,在一些需要快速存取、低功耗和抗輻照的小規(guī)模存儲領(lǐng)域有市場。但是鐵電存儲器也存在集成度提高比較困難、工藝沾污較為嚴(yán)重、難以和傳統(tǒng)CMOS 工藝相互兼容的缺點,有待進(jìn)一步研究解決。參考文獻(xiàn):1Hidemi Takasu. F erro electric memories and theirapplications.Curre

15、nt status and challenges of ferroelectricmemory devicesC. Microelectronic Engineering, 2005.2Gerhard Mller, Nicolas Nagel, Cay-Uwe Pinnow, et al .Emerging Non-V olatile Memory TechnologiesC. Thin Solid Films, 1995.3J.F. Scott. New developments on FRAMs :3D structuresand all-perovskite FETsC . Materials Science and Engineering, 2005.作者簡介:馬良(1981-,男,江蘇蘇州人,2003年起在無錫中微晶園公司從事氧化擴(kuò)散工藝研究。6 鐵電存儲器的器件結(jié)構(gòu)目前鐵電存儲器最常見的器件結(jié)構(gòu)是Planar (