鐵電存儲器的結構特點介紹

鐵電存儲器是新興的非易失性存儲器，它的起步比較早，率先實現了產業化，由于其具有功耗小、讀寫速度快、抗輻照能力強的優點，在一些需要快速存取、低功耗和抗輻照的小規模存儲領域有市場。但受鐵電晶體特性制約，FRAM仍有最大訪問(讀)次數的限制。下面將介紹一下它的一些結構特點：

1.鐵電材料結構

鐵電存儲器的鐵電材料需要很多要求，經過多年的研究，目前主流的鐵電材料主要有以下兩種：PZT、SBT。

PZT是鋯鈦酸鉛PbZrxTil-xO3。PZT是研究最多、使用最廣泛的，它的優點是能夠在較低的溫度下制備，可以用濺射和MOCVD的方法來制備，具有剩余極化較大、原材料便宜、晶化溫度較低的優點;缺點是有疲勞退化問題，還有含鉛會對環境造成污染。結構示意圖如圖1所示：

圖1PZT結構

SBT是鉭酸鍶鉍Sr1-yBi2+xTa2O9。SBT最大的優點是沒有疲勞退化的問題，而且不含鉛，符合歐盟環境標準;但是它的缺點是工藝溫度較高，使之工藝集成難度增大，剩余極化程度較小;結構示意圖如圖2所示。

圖2SBT結構

兩種材料的對比見表1。目前從環境保護的角度來說，PZT已經被禁止使用了，但是從鐵電存儲器的性能和工藝集成的難易和成本的角度來說，SBT與PZT相比沒有優勢，因此目前關于鐵電材料的選擇還值得探討。

2.器件結構

目前鐵電存儲器最常見的器件結構是Planar(平面式)和Stack(堆疊式)結構，兩者的區別住干鐵電電容的位置還有電容與MOS管互連的方式。在Planar結構中，將電容置于場氧上面，通過金屬鋁，將電容上電極和MOS管有源區相連，工藝相對簡單，但單元面積較大;而在Stack結構中，將電容置于有源區，通過塞子(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結構可以采用鐵電電容制作在金屬線上的做法，從而減少鐵電電容在形成過程中對工藝的相互影響。兩種結構示意圖如圖3和圖4所示。

圖3Planar結構示意圖

圖4Stack結構示意圖

Planar結構的工藝相對簡單，其隔離采用LOCOS結構，且平坦化不需要使用CMP。而Stacked結構的集成度較高，但是所用工藝相對先進，隔離采用STI，平坦化需要使用CMP，導線可以使用Cu。

除此之外，還有一種結構，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題，而且從理論上來說也更加節約面積，能夠實現更大的集成度。但是這種結構目前還存在很嚴重的問題，數據保存能力很差，目前報道的最好的數據保存能力也只有一個月而已，所以距離實用還很遙遠。圖5是這種結構的示意圖。

圖5鐵電材料作柵極的結構示意圖

目前鐵電存儲器的線寬在0.5μm以上的時候一般都采用Planar結構，在0.5μm以下的時候一般都采用Stack結構。

3.電路結構

鐵電存儲器的電路結構主要分成以下三種：2晶體管-2電容(2T2C)、1晶體管-2電容(1T2C)、1晶體管-1電容(1T1C)，如圖6所示。2T2C結構由于每一位都有兩個相反的電容互為參考，因此可靠性比較好，但是所占面積太大，不適合高密度的應用。晶體管/單電容器結構可以像DRAM一樣，使用單電容器為存儲器陣列的每一列提供參考。與現有的2T/2C結構相比，它有效地把內存單元所需要的面積減少一半。這種設計極大地提高了鐵電存儲器的效率，降低了鐵電存儲器產品的生產成本。1T1C結構的集成密度較高(8F2)，但是可靠性較差，1T2C結構是這兩種結構的折衷。

三種電路結構

圖6三種電路結構

目前，為了獲得高密度的存儲器，大多采用1T1C的結構。結構示意圖如圖7所示：

圖71T1C的結構圖

此外，還有一種鏈式結構也被采用，這種結構類似于NAND的結構，通過這種方法，可以獲得比1T1C更高的存儲密度，但是這種方法也會使得存取時間大大增加。ChainFeRAM(CFeRAM)結構如圖8所示。

圖8ChainFeRAM結構

以上就是鐵電存儲器的結構特點介紹了。目前鐵電存儲器有望在消費者的小型設備中得到廣泛地應用，比如個人數字助理(PDA)、手機、功率表、智能卡以及安全系統。鐵電存儲器(FRAM)比閃存更快。在一些應用上，它也有可能替代電可擦除只讀存儲器(EEPROM)和靜態隨機存取存儲器(SRAM)，并成為未來的無線產品的關鍵元件。

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