摘要：鐵電儲存器與傳統的非易失性儲存器相比，具有功耗小、讀寫速度快、抗輻照能力強等優點，因此在一些特殊應用領域具有很好的市場。文章介紹了鐵電儲存器的基本工作原理，並介紹了兩種主流的鐵電材料。
文章還介紹了鐵電儲存器的電路結構，包括2t2c、1t1c、1t2c以及鏈式結構，並說明了鐵電儲存器的讀寫過程。鐵電儲存器的器件結構主要有planar 結構和stacked 結構兩種。planar 結構製作工藝相對簡單，但是整合度不高。
stacked 結構的整合度更高，對工藝的要求也更高。
1 鐵電儲存器簡介
隨著it 技術的不斷發展，對於非易失性儲存器的需求越來越大，讀寫速度要求越來越快，功耗要求越來越小，現有的傳統非易失性儲存器，如eeprom、flash 等已經難以滿足這些需要了。
傳統的主流半導體儲存器可以分為兩類：易失性和非易失性。易失性儲存器包括靜態儲存器sram（static randomacces**emory）和動態儲存器dram（dynamic randomacces**emory）。
sram和dram在掉電的時候均會失去儲存的資料。ram 型別的儲存器易於使用、效能好，可是它們同樣會在掉電的情況下失去所儲存的資料。
非易失性儲存器在掉電的情況下並不會丟失所儲存的資料。然而所有的主流非易失性儲存器均源自於唯讀儲存器（rom）技術。正如你所猜想的一樣，被稱為唯讀儲存器的東西肯定不容易進行寫入操作，而事實上是根本不能寫入。
所有由rom技術研發出的儲存器則都具有寫入資訊困難的特點。這些技術包括有eprom、eeprom和flash。這些儲存器不僅寫入速度慢，而且只能有限次的擦寫，寫入時功耗大。
相對於其他型別的半導體技術而言，鐵電儲存器具有一些獨一無二的特性。鐵電儲存器能相容ram的一切功能，並且和rom技術一樣，是一種非易失性的儲存器。鐵電儲存器在這兩類儲存型別間搭起了一座跨越溝壑的橋梁—— 一種非易失性的ram。
同傳統的非易失性儲存器相比，鐵電儲存器具有功耗小、讀寫速度快、抗輻照能力強等優點，因此受到很大關注。
2 鐵電儲存器工作原理
當乙個電場被加到鐵電晶體時，中心原子順著電場的方向在晶體裡移動。當原子移動時，它通過乙個能量壁壘，從而引起電荷擊穿。內部電路感應到電荷擊穿並設定儲存器。
移去電場後，中心原子保持不動，儲存器的狀態也得以儲存。因此，在乙個外加電場下，鐵電材料的極化特性會發生改變，當這個電場去掉以後，這個資訊仍然能夠儲存。沒有外加電場的情況下，極化特性有兩種穩定的狀態。
圖1 是乙個鐵電材料電容的電滯迴線，顯示了鐵電電容在所加不同電場的情況下的不同極性。其中，最重要的兩個引數是剩餘極化程度pr，和矯頑場ec。在沒有電場強度的情況下，+/-pr 就表示了「0」、「1」兩個狀態。
為了獲得這兩個狀態，所加電場必須大於+/-ec，因此，所需要的閾值電壓也就確定了。相比之下，鐵電電容的漏電流沒有eeprom、flash 之類的傳統非易失性儲存器那麼重要，因為eram的資訊儲存是由極化來實現的，而不是自由電子。
3 鐵電材料簡介
理想的鐵電材料需要滿足如下特點：
● 介電常數小；
● 合理的自極化程度（~5μc/cm2）；
● 高的居里溫度（在器件的儲存和工作溫度範圍之外）；
● 鐵電材料厚度要薄（亞微公尺）以使矯頑場ec較小；
● 能夠承受一定的擊穿場強；
● 內在開關速度要快（納秒級別）；
● 資料的保持能力和持久能力要好；
● 如果是軍方使用的話，還要求能夠抗輻照；
● 化學穩定性要好；
● 加工均勻性好；
● 易於整合到cmos 工藝中去；
● 對周圍電路無不良影響；
● 汙染小等。
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pbzrxti1-xo3；sbt 是鉭酸鍶鉍sr1-ybi2+xta2o9。這兩種材料的結構示意圖如圖2所示。
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製備，可以用濺射和mocvd的方法來製備，具有剩餘極化較大、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汙染。
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，使之工藝整合難度增大，剩餘極化程度較小。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，但是從鐵電儲存器的效能和工藝整合的難易和成本的角度來說，sbt與pzt相比沒有優勢，因此目前關於鐵電材料的選擇還值得**。
4 鐵電儲存器的電路結構
鐵電儲存器的電路結構主要分成以下三種：2電晶體-2電容（2t2c）、1電晶體-2電容（1t2c）、1電晶體-1電容（1t1c），如圖3 所示。2t2c結構由於每一位都有兩個相反的電容互為參考，因此可靠性比較好，但是所佔面積太大，不適合高密度的應用。
電晶體/ 單電容器結構可以像dram一樣，使用單電容器為儲存器陣列的每一列提供參考。與現有的2t/2c結構相比，它有效地把記憶體單元所需要的面積減少一半。這種設計極大地提高了鐵電儲存器的效率，降低了鐵電儲存器產品的生產成本。
1t1c 結構的整合密度較高（8f2），但是可靠性較差，1t2c結構是這兩種結構的折衷。
目前，為了獲得高密度的儲存器，大多採用1t1c的結構。
此外，還有一種鏈式結構也被採用，這種結構類似於nand的結構，通過這種方法，可以獲得比1t1c更高的儲存密度，但是這種方法也會使得訪問時間大大增加。chain feram（cferam）結構如圖5所示。
5 鐵電儲存器讀寫過程
根據記憶體單元的極性狀態，電荷電量小則為「0」，電荷電量大則為「1」。這個電荷轉化為乙個讀出電壓，小於參考電壓則為「0」，大於參考電壓則為「1」。由此讀出所儲存的資訊，見圖6。
進行讀操作時，公升高字線電壓使mos 管導通，再使驅動線電壓公升高為vcc，從而儲存電容的不同電荷將部分分配到位線寄生電容中去，於是bl 上呈現出不同的電壓，從而鑑別出資料。進行寫操作時，公升高字線使mos 管導通，驅動線加一脈衝，從而將位線上不同資料存入鐵電電容的兩個不同穩態。
通過加乙個正電壓或者乙個負電壓，這兩種電壓能夠使電容變成兩個不同的極性，通過這種方式把資訊寫入記憶體中。
6 鐵電儲存器的器件結構
目前鐵電儲存器最常見的器件結構是planar（平面式）和stack（堆疊式）結構，兩者的區別在於鐵電電容的位置還有電容與mos 管互連的方式。在planar 結構中，將電容置於場氧上面，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，將電容置於有源區，通過塞子（plug）將電容下電極和mos 管源端相連，需要cmp 工藝，整合密度較高。另外，stack結構可以採用鐵電電容製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7 和圖8 所示。
planar結構的工藝相對簡單，其隔離採用locos結構，且平坦化不需要使用cmp。而stacked 結構的整合度較高，但是所用工藝相對先進，隔離採用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，是採用鐵電材料作柵極，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，能夠實現更大的整合度。但是這種結構目前還存在很嚴重的問題，資料儲存能力很差，目前報道的最好的資料儲存能力也只有乙個月而已，所以距離實用還很遙遠。圖9是這種結構的示意圖。
目前鐵電儲存器的線寬在0.5μm以上的時候一般都採用planar結構，在0.5μm以下的時候一般都採用stack結構。
7 總結
鐵電儲存器是新興的非易失性儲存器，它的起步比較早，率先實現了產業化，由於其具有功耗小、讀寫速度快、抗輻照能力強的優點，在一些需要快速訪問、低功耗和抗輻照的小規模儲存領域有市場。但是鐵電儲存器也存在整合度提高比較困難、工藝沾汙較為嚴重、難以和傳統cmos 工藝相互相容的缺點，有待進一步研究解決。
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鐵電儲存器工作原理及應用
2.2 fram的讀 寫操作 fram儲存資料不是通過電容上的電荷，而是由儲存單元電容中鐵電晶體的中心原子位置進行記錄。直接對中心原子的位置進行檢測是不能實現的。實際的讀操作過程是 在儲存單元電容上施加一已知電場 即對電容充電 如果原來晶體中心原子的位置與所施加的電場方向使中心原子要達到的位置相同，...
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