铁电随机存取存储器 (FeRAM FRAM) 技术

　　的需求慢慢的变大，其读写速度要求慢慢的变快，功耗也慢慢变得符合用户的要求。但传统的非易失性存储器如 EEPROM、FLASH 等已经难以满足这些需求。

　　传统的主流半导体存储器可分为易失性和非易失性两大类。易失性存储器包括静态随机存取存储器（SRAM）和动态随机存取存储器（DRAM）。SRAM 和 DRAM 在断电时都会丢失保存的数据。虽然 RAM 易于使用且性能好，但它的一大缺点是数据丢失。

　　非易失性存储器在断电的情况下不会丢失存储的数据，因为所有主流的非易失性存储器都源自只读存储器（ROM）技术。ROM，所谓的只读存储器，绝对不容易写，其实根本就写不出来。ROM技术开发的所有存储器都难以写入数据，包括EPROM、EEPROM和Flash。而且这些存储器不仅写入速度慢，而且只能擦除和写入有限的次数。

　　铁电存储器是一种基于半导体技术改进的新型存储器，具有一些独特的特性。铁电存储器兼容RAM的所有功能，是一种类似于ROM的非易失性存储器。换句话说，铁电存储器弥补了这两种存储类型之间的差距，一种非易失性 RAM。与传统的非易失性存储器相比，它以其功耗低、读写速度快、抗辐照能力强等优点备受关注。

　　铁电存储器 (FRAM)，也称为F-RAM或FeRAM，是一种读写速度快的随机存取存储器，结合了断电后数据保留的能力（如只读存储器和闪存），是个人电脑最常用的类型记忆。由于它不像动态随机存取存储器 (DRAM) 和静态随机存取存储器 (SRAM) 那样密集，也就是说，它无法在相同的空间中存储尽可能多的数据。换句话说，它没有任何办法取代 DRAM 和 SRAM 技术。然而，因为它可以在非常低的功率条件下快速存储数据，所以它被大范围的使用在消费者的小型设备，如个人数字助理 (PDA)、移动电话、电表、智能卡和安全系统。FRAM 的读写速度比闪存快。在某些应用中，

　　FeRAM或铁电 RAM 似乎表明内存中存在铁元素，但实际上并非如此。铁电体是一种包含可以自发极化的晶体的材料。它有两种状态，能够最终靠外部电场逆转。当对铁电晶体施加电场时，中心原子沿电场方向在晶体中移动。当一个原子移动时，它会穿过一个能垒，导致电荷击穿。内部电路对电荷击穿作出反应并设置存储器。去除电场后，中心原子保持极化状态，使材料具备非易失性，因此保持了存储器的状态。因为整个物理过程没有原子碰撞，

　　因此，在外加电场作用下，铁电材料的极化特性会发生明显的变化。当这个电场被移除时，数据仍旧能被保存。在没有另外加电场的情况下，极化特性有两种稳定状态。图1是铁电材料电容器的磁滞回线，显示了铁电电容器在不同外加电场下的不同极性。其中，最重要的两个参数是剩余极化程度Pr和矫顽场Ec。在没有电场效应的情况下，+/-Pr 代表“0”和“1”两种状态。要获得这两种状态，所施加的电场必须大于+/- Ec，此时还确定了所需的阈值电压。

　　业界探索铁电材料在 DRAM 中的应用：将它们用作 DRAM 电容器中的介电材料。即在标准逻辑器件中用铁电体代替高K介电材料，最后形成非易失性晶体管，即FeFET。即使去除电源电压，铁电栅极氧化物的两个稳定极化状态也会改变晶体管的阈值电压。因此，二进制状态被编码在晶体管的阈值电压中。存储单元的写操作能够最终靠在晶体管的栅极上施加脉冲来完成，这会改变铁电材料的极化状态并影响阈值电压。例如，施加正脉冲将降低阈值电压，使晶体管处于“导通”状态。读数是经过测量漏极电流来完成的。这种存储模式类似于NAND闪存的工作模式：从浮栅注入和抽出电子，从而调整晶体管的阈值电压。

　　相比之下，铁电电容器的漏电流系数不如传统的非易失性存储器如 EEPROM 和 FLASH 重要，因为 FeRAM 的信息存储是通过极化实现的，而不是自由电子。

　　PZT是研究最多和应用最广泛的。它的优点是能够最终靠溅射和 MOCVD 在较低温度下制造。具有剩余极化大、原料便宜、结晶温度低等优点。它的缺点是疲劳退化问题，并导致对环境的污染。此外，这些材料的薄膜沉积过程已被证明是很具有挑战性的。同时，这些材料极高的介电常数（约 300）是它们集成到晶体管中的一大障碍。

　　此外，科学家们还发现在不太复杂的材料氧化铪 (HfO 2 ) 中存在铁电相，这引发了新的存储概念。研究人员发现，能够最终靠将硅 (Si) 掺杂到 HfO 2 中来稳定铁电相。与PZT相比，HfO 2 具有较低的介电常数，可以以共形方式沉积薄膜（即原子层沉积（ALD）工艺）。最重要的是，科学家们熟悉 HfO 2，因为它是逻辑器件 HKMG 中的 HK 栅极氧化物材料。经过仔细修改这种 CMOS 兼容材料，逻辑晶体管可以变成非易失性 FeFET 存储晶体管。

　　FeFET 的功能验证已在二维平面架构中实现。同时，HfO 2 保形沉积工艺使3D堆叠成为可能，例如，在垂直“壁”上沉积铁电材料以在垂直方向上堆叠晶体管。

　　在材料方面，3D FeFET 能解决 2D FeFET 结构带来的一些挑战。一项挑战与 HfO 2的多晶性质有关。缩放 HfO 2 膜的厚度将显着减少该层中的晶粒数量。由于并非所有晶粒的极化方向都相同，晶粒的减少会影响晶体管对外电场响应的一致性，最后导致管子之间出现较大的差异。通过 3D 堆叠，这个缺点在物理领域得到了克服。也就是说，HfO 2 不需要被压缩得太薄，由此减少管与管之间的差异。

　　预计这些垂直 FeFET 比复杂的 3D NAND 闪存具有更多优势，包括工艺简单、功耗更低和速度更快。与 3D NAND 闪存相比，垂直 FeFET 可以在更低的电压下进行编程，来提升了存储器的可靠性和可扩展性。

　　SBT最大的优点是不存在疲劳退化的问题，而且不含铅，符合欧盟环保标准；但其缺点是工艺温度比较高，工艺集成困难，残余极化程度小。两种材料的比较见表1。

　　目前，从环保的角度来看，PZT已经被禁用，但从铁电存储器的性能和工艺集成以及成本的角度来看，SBT相比PZT没有优势。因此，铁电材料的选择值得探讨。

　　铁电存储器的电路结构大致上可以分为以下三种：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结构的每一位都有两个相对的电容作为参考，所以可靠性更好，但占用空间太大，不适合高密度应用。晶体管/单电容结构可以像DRAM一样为存储阵列的每一列提供参考，与现有的2T2C结构相比，它们有效地将存储单元所需的空间减少了一半。这种设计大幅度的提升了铁电存储器的效率，降低了铁电存储器产品的生产所带来的成本。1T1C结构具有更高的集成密度（8F2），但其可靠性较差。而1T2C结构是这两种结构的折中。

　　目前，为了获得高密度的内存，多采用1T1C结构（如图4所示）。此外，还采用了链式结构，从而制成了Chain FeRAM。这种结构类似于NAND结构。通过这一种方式，可以获得比1T1C更高的存储密度，但是这样的形式也会大大增加存取时间。链式 FeRAM（CFeRAM）结构如图 5 所示。

　　根据电子存储单元的极性，小电荷量为“0”，大电荷量为“1”。该电荷被转换为读取电压，小于参考电压时为“0”，大于参考电压时为“1”。存储的信息被读出，如图 6 所示。

　　在读取过程中，字线电压升高，使MOS管导通，驱动线电压升高为VCC，使存储电容的不同电荷分布到位线寄生电容上，从而出现不同的电压在 BL 上识别数据。在写过程中，字线升高，使MOS管导通，同时给驱动线施加一个脉冲，使位线上的不同数据存储在铁电电容的两种不同稳态中。

　　通过加一个正电压或一个负电压，这两个电压可以使电容器变成两种不同的极性。这样，信息就写入了内存。

　　目前，铁电存储器最常见的器件结构是平面结构和堆叠结构。两者的不同之处在于干式铁电电容的位置和电容与MOS管的连接方式。在平面结构中，电容放置在场氧化物上方，电容的电极通过金属铝连接到MOS管的有源区。工艺最简单，但单位间距大。在堆叠结构中，电容放置在源区，电容的下电极通过基于CMP工艺的插塞连接到MOS管的源极端，具有较高的集成密度。此外，堆叠结构能够使用在金属线上制作铁电电容器的方法，由此减少形成过程中的相互影响。下面两种结构的示意图如图7和图8所示。

　　平面结构的工艺最简单。隔离采用LOCOS结构，平坦化不需要CMP。堆叠结构基于先进的技术集成度高，采用STI隔离，另外需要CMP平整，能够正常的使用铜线。

　　此外，还有一种使用铁电材料作为栅极的结构。这样的设备能消除数据读出的破坏性问题，理论上更节约空间，可以做更大的集成。但是，这种结构任旧存在严重的问题，即数据存储能力很差，只有一个月或更短的时间，远不实用。图9是这种结构的示意图。

　　FRAM产品兼有RAM和ROM的优点，读写速度快，另外还可当作非易失性存储器使用。由于铁电晶体的缺点，访问次数是有限的，超过这个数量 FRAM 不再是非易失性的。给出的最大访问次数是 100 亿次，但这并不代表超过这个上限就会报废 FRAM。就其而言，FRAM 不是非易失性的，但它仍旧能用作普通 RAM。

　　FRAM 可用作 E2PROM 的第二个选项。除了 E2PROM 的性能外，FRAM 访问加载速度要快得多。在使用 FRAM 时，必须确定一旦系统中有 100 亿次访问下降到 FRAM，就没有损坏。

　　在速度、价格和便利性方面，SRAM 优于 FRAM；但从整个设计来看，FRAM 具有一定的优势。

　　非易失性 FRAM 可以保存启动程序和配置信息。如果应用中所有存储器的最大访问加载速度为70ns，能够正常的使用一块FRAM来完成系统，使系统结构更简单。

　　DRAM 适用于密度和价格比访问加载速度更重要的应用。例如，DRAM 是图形显示内存的最佳选择。有大量的像素需要存储，恢复时间不是很重要。如果下次启动时不需要保存最后的内容，请使用易失性 DRAM 内存。DRAM的作用和成本相比FRAM是合理的。总之，事实上DRAM不能完全被FRAM取代。

　　目前最常用的程序存储器是Flash，用起来更方便，也更便宜。程序存储器必须是非易失性的，并且更容易重写，但 FRAM 的使用受到访问次数的限制。

　　FeRAM 使设计人员能够以比 EEPROM 更低的价格更快、更频繁地写入数据。

　　典型应用：仪表（电表、气表、水表、流量计）、RF/ID仪器、汽车黑匣子、安全气囊、GPS、电网监控系统等。

　　FeRAM 通过实时存储数据，帮助设计人员解决因突然断电而导致数据丢失的问题。FeRAM 中的参数存储用于跟踪系统过去时间的变化。其目的包括恢复系统状态或在通电时确认系统错误。

　　FeRAM 可以在数据存储到其他内存之前快速存储数据，从而在断电时不会丢失缓冲区中的数据。

　　典型应用：工业系统、ATM柜员机、税控机、商业结算系统（POS）、传真机、硬盘中的非易失性缓存等。

　　铁电存储器是一种新兴的非易失性存储器。起步较早，实现了产业化。由于其功耗低、读写速度快、抗辐照能力强等优点，对于低功耗、抗辐射的小规模存储区有市场。具有抗辐射特性，在电磁波或辐射的情况下，数据仍然安全，因此在空间科学、医学等特定领域具备极其重大应用。但是，铁电存储器也存在集成度难以提高、工艺污染较多、难以兼容CMOS工艺等缺点。因此就需要进一步的研究和解决。

　　铁电 RAM是一种随机存取存储器，其结构类似于 DRAM，但使用铁电层而不是介电层来实现非易失性。它是慢慢的变多的替代非易失性随机存取存储器技术之一，可提供与闪存相同的功能。FRAM可用于许多领域，例如，具有超低功耗，非常适用于智能水表、燃气表等。

　　铁电 RAM（FeRAM、F-RAM 或 FRAM）是一种结构类似于 DRAM 的随机存取存储器，但使用铁电层而不是介电层来实现非易失性。

　　铁电性是某些具有自发电极化的材料的特性，可通过施加外部电场逆转。...因此，尽管大多数铁电材料不包含铁，但前缀 ferro（意思是铁）被用来描述这种特性。

　　FRAM 是一种非易失性存储器，即使在断电后仍能保留其数据。但是，类似于个人计算机、工作站和非手持游戏控制台中常用的 DRAM（动态随机存取存储器），FRAM 需要在每次读取后进行内存恢复。

　　FRAM兼具ROM（只读存储器）和RAM（随机存取存储器）的特点，具有写入速度快、读写循环耐久性强、功耗低等特点。

　　中的写操作与读操作类似，预充电操作在写访问之后进行。该电路将“写入”数据应用于铁电电容器。如有必要，新数据会简单地切换铁电晶体的状态。

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