铁电存储器工作原理和器件结构-

1、-35 - 收稿日期:2008-03-21铁电存储器工作原理和器件结构马良(中国电子科技集团公司第58研究所,江苏 无锡 214035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

2、工艺的要求也更高。关键词:铁电存储器;PZT ;SBT中图分类号:TN405 文献标识码:A 文章编号: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 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

5、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

6、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 的电子与封装第8卷第8期一切功能,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

7、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

8、 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FeRAM的信息存储是由极化来实现的,而不是自由电子。图1 铁电电容电滞回线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(5C/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

9、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 PbZr x Ti1-x O3;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。图2 PZT、SBT材料结构示意图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

10、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-36 -第8卷第8期表1 两种材料比较图3 三种铁电存储器结构图4 1T1C铁电存储器layout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

11、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。图5 Chain FeRAM (CFeRAM电路结构5 铁电存储器读写过程根据内存单元的极性状态,电荷

12、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,通过这种方式马良:铁电存储器工作原理和器件结构-37 -38 -电子与封装第8卷第8 期把信息写入内存中。图7 P

13、lanar 结构示意图图8 Stacked 结构示意图极,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。图9 采用铁电材料作栅极的FeFET 的结构示意图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

14、图6 铁电存储器读写过程示意图目前铁电存储器的线宽在0.5m 以上的时候一般都采用Planar 结构,在0.5m 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: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.作者简介:马良(1981-,男,江苏苏州人,2003年起在无锡中微晶园公司从事氧化扩散工艺研究。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 (