一文解析铁电存储器使用及工作原理

随着我们进入超智能和超互联的第四次工业革命时代，高密度和高性能存储器的重要性比以往任何时候都更大。目前应用最广泛的NAND闪存由于依赖电荷陷阱效应存储信息，存在功耗高、运行速度慢、易重复使用等问题。为此，POSTECH的一个研究小组最近展示了一种铁电存储器，它在运行速度、功耗和设备可靠性方面都超过了传统闪存的性能。

一个由李章植教授和材料科学与工程系博士候选人金敏奎和金英杰领导的POSTECH研究小组展示了一种独特的策略，即通过应用基于二氧化铪的铁电体和氧化物半导体来制造铁电存储器。这种方法产生的存储性能既不是传统的闪存，也不是以前的钙钛矿铁电存储器所能达到的。器件仿真结果表明，该策略可以实现超高密度的三维存储器集成。

铁电存储器以其比传统的闪存具有更高的速度和更低的功耗而受到人们的关注。但由于其加工温度高、不易扩展以及与传统半导体工艺不兼容等原因，其商业化进程受到阻碍。

研究小组利用铪基铁电体和氧化物半导体解决了这些问题。新的材料和结构保证了低功耗和高速度；采用氧化物半导体作为沟道材料，降低了工艺温度，抑制了多余界面层的形成，实现了高稳定性。因此，研究人员证实，这种制造出来的器件可以在比传统闪存低4倍的电压下以快几百倍的速度工作，即使重复使用超过1亿次也能保持稳定。具体地，通过原子层沉积来堆叠铁电材料和氧化物半导体以确保适合于制造三维器件的处理技术。该团队提出，高性能设备可以在400°C下制造，工艺比传统闪存设备简单得多。

领导这项研究的Jang Sik Lee教授说：“我们开发了核心技术，以实现下一代高集成度和高性能存储器，克服了传统3-D NAND闪存的局限性。”。他补充说，“这项技术不仅适用于下一代存储设备，也适用于超低功耗、超高速、高度集成的通用内存和内存计算，这些对未来人工智能和自动驾驶汽车等行业至关重要。”

什么是铁电存储器？

铁电存储器是一种与DRAM类似的随机存取存储器，但使用铁电层而不是介电层来实现非易失性。FeRAM是提供与闪存相同功能的替代非易失性随机存取存储器技术中的一种。

铁电存储器的历史

铁电存储器的发展可以追溯到半导体技术的早期。这个想法最初是在1952年提出的，但是由于要实现该想法所需的技术不存在，花了很多年才开始对该想法进行适当的开发。

这项技术的一些工作始于1980年代，然后在1990年代初期，NASA的一部分开始致力于检测紫外线辐射脉冲的技术。

然而，大约在1999年生产了第一批设备，此后，包括Ramtron，Fujitsu，Texas Instruments，三星，Matsushita，Infineon和其他公司在内的公司一直在使用该技术。

铁电存储器的使用

当前，铁电RAM尚未像包括DRAM和闪存在内的许多更成熟的技术广泛使用。这些技术已经根深蒂固，并且已广泛使用。

由于开发人员通常倾向于依赖可保证提供其所需性能的受信任技术，因此他们通常不愿意使用未保证提供的技术（例如FRAM）。同样，诸如内存密度之类的问题限制了可用内存的大小，也导致它们无法得到如此广泛的使用。

但是，现在正使用CMOS技术将FRAM技术嵌入芯片中，以使MCU拥有自己的FRAM存储器。与将闪存集成到MCU芯片所需的数量相比，这需要更少的阶段，从而显着降低了成本。

除了存储器的非易失性之外，另一个优势是其非常低的功耗，非常适合在功耗通常是关键问题的MCU中使用。

铁电存储器的优势

FRAM的特性意味着它适合许多不同的用途。但是，能够将FRAM的性能和参数与其他已建立的内存技术进行比较非常有用。

铁电存储器的优势包括：更低的功耗，更快的写入性能和更大的最大读取/写入耐久性（大约10 10］至10 14 个周期）。铁电存储器在+85°C时的数据保留时间超过10年（在较低温度下长达数十年）。铁电存储器的市场劣势是比闪存设备低得多的存储密度，存储容量限制和更高的成本。像DRAM一样，铁电存储器的读取过程具有破坏性，因此需要先写入后读取架构。

FRAM可以提供许多优势，并且可以在许多领域中使用，但是在许多情况下，FRAM存储器的使用是许多特定电路设计需要具备的特性和参数之间的平衡。

铁电RAM运行和技术基于具有可逆电极化的电介质特性晶体。

FRAM存储器技术是非易失性的，它结合了几乎无限数量的读写周期。FRAM存储器技术还提供了非常低的功耗，使其成为许多应用程序中存储器的竞争者。

尽管该技术比其他更成熟的技术密度低，并且具有较高的成本，但是随着开发的进展，这些问题正在得到解决。

铁电效应是什么

就像存储器的名称所暗示的那样，铁电RAM技术依赖于铁电效应对其进行操作。这种效应使电介质能够根据施加的电压改变其极化。

在一组称为钙钛矿的材料中观察到铁电效应。这些材料具有以原子为中心的晶体结构。该原子具有两个相等且稳定的低能态，它们决定了原子的位置。

这是属于此类别的多种不同化合物。这些物质包括：锆钛酸铅等。

如果在所需平面上向晶体施加电场，则原子将沿电场方向移动。然后，原子的位置决定了材料的状态，进而可以用来存储数据。

当原子位于顶部位置时，铁电材料的两个状态称为“上极化”，而当原子位于底部位置时，称为“下极化”。

铁电晶体向上极化

铁电晶体下极化

过渡过程中需要能量，这意味着存在一个铁电材料在其上运行的磁滞回线。

铁电磁滞回线

应该注意的是，铁电晶体不包含任何铁质材料。而且它们不受磁性影响。取而代之的是，材料是根据与电压相关的电荷图与磁性材料的BH曲线绘制的相似性而得名。

FRAM存储器如何工作？

可以看出，铁电材料中可以存在两种不同的状态。可以在电容器中使用它来为存储单元创建两个状态。

可以通过施加相关场来使电容器向上或向下极化。

铁电RAM中使用的铁电电容器和极化

铁电电容器极化

FRAM操作的关键是铁电电容器的电容是可变的。如果在施加电场时未切换电容器，即极化没有变化，则电容器表现为正常的线性方式。但是，如果进行了开关，则会感应出额外的电荷，这一定是由于电容的增加所致。

为了使这种效果能够用于存储单元中，使用了附加的有源元件，即FET。该单元具有字线和位线，以使单个单元能够被访问。

基本铁电RAM，FRAM存储单元

FRAM读取周期

FRAM存储器的读取操作需要多个阶段。它与动态RAM DRAM中使用的非常相似。仅将位线电压与参考电压进行比较。该参考电压设置在两个电平之间，即高于未开关电压和低于开关电压。然后，感测放大器用作比较器，将差值放大以提供逻辑1或逻辑0。

为了更仔细地观察该序列，该单元将最初处于其非活动状态，其中位线为低，板线为低，字线为低，如“ A”所示。然后，它将继续执行内存访问序列。

铁电存储单元访问顺序

通过将电压施加到“ B”中定义的字线和极板线上来开始访问操作。

有两种情况需要考虑。通过在电容器两端施加电压，电容器将根据其状态而切换或不切换。

电容器状态切换的位置：这些电压在铁电电容器上产生一个电场，该电场按‘’‘’C‘’‘’所示进行切换。

该开关过程感应出电荷，该电荷与Cbit表示的位线电容和开关铁电电容器Cs共享。晶体管和其他互连寄生电容也会产生小的电容，但是效果通常很小。

因此，位线上的合成电压与电容之比Cs：Cbit成正比。因此，位线上的电压为Cs / Cbit x Vdd。

电容器状态不切换：如果电容器不切换，则不会产生额外的电荷。

可以看出，在读取操作中可以改变单元内的数据，即，读取FRAM存储单元是破坏性的过程。因此，如果更改了该单元，则需要重新写入该单元。

FRAM存储器操作经过设计，以使在开关电容器中感应出的电荷至少是未开关电容器可用电荷的两倍。这意味着开关电容必须至少是未开关电容的两倍。然后得出的结论是，转换后的情况下的位线电压将至少是未转换时的电压的两倍。

可以使用类似于DRAM中使用的读出放大器来感测该电压。

与DRAM一样，FRAM具有周期时间。这意味着连续的随机访问之间的时间等于周期时间，而不仅仅是访问时间。

FRAM存储器写操作

用于写入存储器地址的FRAM操作使用与读取操作相同的基本原理。存储器的控制电路在铁电电容器上沿所需方向施加磁场以写入所需数据。

一旦就位，即使从芯片上断开电源，数据也将保持完整。由于需要能量才能将内存从一种状态切换到另一种状态，因此电荷不会像其他类型的内存（包括DRAM或什至闪存）那样在很小的程度上泄漏出去，并且会无限期保持不变。

FRAM存储器的操作相对简单。单个FET单元与包含铁电介质的电容器一起使用。这些存储器可以实现的密度尚不能达到其他技术，但是其非易失性和长寿命意味着它是许多应用程序的竞争者。
编辑：hfy