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
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。
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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。
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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。
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?数据的保持能力和持久能力要好；
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?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。
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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。
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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。
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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
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