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十月 14 2020

铁电存储器的结构特点


目录

1.铁电材料结构
2.器件结构
3.电路结构

  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。但受铁电晶体特性制约,FRAM仍有最大访问(读)次数的限制。下面将介绍一下它的一些结构特点:

  1.铁电材料结构

  铁电存储器的铁电材料需要很多要求,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。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。结构示意图如图1所示:

PZT结构

  图1 PZT结构

  SBT是钽酸锶铋Sr1-yBi2+xTa2O9。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;结构示意图如图2所示。

SBT结构

  图2 SBT结构

  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。

两种材料对比表

  2.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3和图4所示。

Planar结构示意图

  图3 Planar结构示意图

Stack结构示意图

  图4 Stack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5是这种结构的示意图。

铁电材料作栅极的结构示意图

  图5 铁电材料作栅极的结构示意图

  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。

  3.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6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。

三种电路结构

  图6 三种电路结构

  目前,为了获得高密度的存储器,大多采用1T1C的结构。结构示意图如图7所示:

1T1C的结构图

  图7 1T1C的结构图

  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8所示。

Chain FeRAM 结构

  图8 Chain FeRAM 结构

  以上就是铁电存储器的结构特点介绍了。目前铁电存储器有望在消费者的小型设备中得到广泛地应用,比如个人数字助理(PDA)、手机、功率表、智能卡以及安全系统。铁电存储器(FRAM)比闪存更快。在一些应用上,它也有可能替代电可擦除只读存储器(EEPROM)和静态随机存取存储器(SRAM),并成为未来的无线产品的关键元件。

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