鐵電存儲(chǔ)器工作原理和器件結(jié)構(gòu)

目前，為了獲得高密度的存儲(chǔ)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(lèi)似于NAND的結(jié)構(gòu)，通過(guò)這種方法，可以獲得比1T1C更高的存儲(chǔ)密度，但是這種方法也會(huì)使得存取時(shí)間大大增加。Chain FeRAM (CFeRAM)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

5 鐵電存儲(chǔ)器讀寫(xiě)過(guò)程

根據(jù)內(nèi)存單元的極性狀態(tài)，電荷電量小則為“0”，電荷電量大則為“1”。這個(gè)電荷轉(zhuǎn)化為一個(gè)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(chǔ)的信息，見(jiàn)圖6。

進(jìn)行讀操作時(shí)，升高字線(xiàn)電壓使MOS管導(dǎo)通，再使驅(qū)動(dòng)線(xiàn)電壓升高為VCC，從而存儲(chǔ)電容的不同電荷將部分分配到位線(xiàn)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(xiě)操作時(shí)，升高字線(xiàn)使MOS管導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)線(xiàn)加一脈沖，從而將位線(xiàn)上不同數(shù)據(jù)存入鐵電電容的兩個(gè)不同穩(wěn)態(tài)。

通過(guò)加一個(gè)正電壓或者一個(gè)負(fù)電壓，這兩種電壓能夠使電容變成兩個(gè)不同的極性，通過(guò)這種方式把信息寫(xiě)入內(nèi)存中。

6 鐵電存儲(chǔ)器的器件結(jié)構(gòu)

目前鐵電存儲(chǔ)器最常見(jiàn)的器件結(jié)構(gòu)是Planar(平面式)和Stack(堆疊式)結(jié)構(gòu)，兩者的區(qū)別住干鐵電電容的位置還有電容與MOS管互連的方式。在Planar結(jié)構(gòu)中，將電容置于場(chǎng)氧上面，通過(guò)金屬鋁，將電容上電極和MOS管有源區(qū)相連，工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，但單元面積較大；而在Stack結(jié)構(gòu)中，將電容置于有源區(qū)，通過(guò)塞子(Plug)將電容下電極和MOS管源端相連，需要CMP工藝，集成密度較高。另外，Stack結(jié)構(gòu)可以采用鐵電電容制作在金屬線(xiàn)上的做法，從而減少鐵電電容在形成過(guò)程中對(duì)工藝的相互影響。兩種結(jié)構(gòu)示意圖如圖7和圖8所示。

Planar結(jié)構(gòu)的工藝相對(duì)簡(jiǎn)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(duì)先進(jìn)，隔離采用STI，平坦化需要使用CMP，導(dǎo)線(xiàn)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極，這樣的器件能夠完全消除讀出的破壞性問(wèn)題，而且從理論上來(lái)說(shuō)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?chē)?yán)重的問(wèn)題，數(shù)據(jù)保存能力很差，目前報(bào)道的最好的數(shù)據(jù)保存能力也只有一個(gè)月而已，所以距離實(shí)用還很遙遠(yuǎn)。圖9是這種結(jié)構(gòu)的示意圖。

目前鐵電存儲(chǔ)器的線(xiàn)寬在0.5μm以上的時(shí)候一般都采用Planar結(jié)構(gòu)，在0.5μm以下的時(shí)候一般都采用Stack結(jié)構(gòu)。

7 總結(jié)

鐵電存儲(chǔ)器是新興的非易失性存儲(chǔ)器，它的起步比較早，率先實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，由于其具有功耗小、讀寫(xiě)速度快、抗輻照能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，在一些需要快速存取、低功耗和抗輻照的小規(guī)模存儲(chǔ)領(lǐng)域有市場(chǎng)。但是鐵電存儲(chǔ)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(diǎn)，有待進(jìn)一步研究解決。