【導讀】隨著我們進入超智能和超互聯(lián)的第四次工業(yè)革命時代，高密度和高性能存儲器的重要性比以往任何時候都更大。目前應用最廣泛的NAND閃存由于依賴電荷陷阱效應存儲信息，存在功耗高、運行速度慢、易重復使用等問題。為此，POSTECH的一個研究小組最近展示了一種鐵電存儲器，它在運行速度、功耗和設備可靠性方面都超過了傳統(tǒng)閃存的性能。
一個由李章植教授和材料科學與工程系博士候選人金敏奎和金英杰領導的POSTECH研究小組展示了一種獨特的策略，即通過應用基于二氧化鉿的鐵電體和氧化物半導體來制造鐵電存儲器。這種方法產(chǎn)生的存儲性能既不是傳統(tǒng)的閃存，也不是以前的鈣鈦礦鐵電存儲器所能達到的。器件仿真結果表明，該策略可以實現(xiàn)超高密度的三維存儲器集成。
鐵電存儲器以其比傳統(tǒng)的閃存具有更高的速度和更低的功耗而受到人們的關注。但由于其加工溫度高、不易擴展以及與傳統(tǒng)半導體工藝不兼容等原因，其商業(yè)化進程受到阻礙。
研究小組利用鉿基鐵電體和氧化物半導體解決了這些問題。新的材料和結構保證了低功耗和高速度；采用氧化物半導體作為溝道材料，降低了工藝溫度，抑制了多余界面層的形成，實現(xiàn)了高穩(wěn)定性。因此，研究人員證實，這種制造出來的器件可以在比傳統(tǒng)閃存低4倍的電壓下以快幾百倍的速度工作，即使重復使用超過1億次也能保持穩(wěn)定。具體地，通過原子層沉積來堆疊鐵電材料和氧化物半導體以確保適合于制造三維器件的處理技術。該團隊提出，高性能設備可以在400°C下制造，工藝比傳統(tǒng)閃存設備簡單得多。
領導這項研究的Jang Sik Lee教授說：“我們開發(fā)了核心技術，以實現(xiàn)下一代高集成度和高性能存儲器，克服了傳統(tǒng)3-D NAND閃存的局限性。”。他補充說，“這項技術不僅適用于下一代存儲設備，也適用于超低功耗、超高速、高度集成的通用內(nèi)存和內(nèi)存計算，這些對未來人工智能和自動駕駛汽車等行業(yè)至關重要。”
什么是鐵電存儲器？
鐵電存儲器是一種與DRAM類似的隨機存取存儲器，但使用鐵電層而不是介電層來實現(xiàn)非易失性。FeRAM是提供與閃存相同功能的替代非易失性隨機存取存儲器技術中的一種。
鐵電存儲器的歷史
鐵電存儲器的發(fā)展可以追溯到半導體技術的早期。這個想法最初是在1952年提出的，但是由于要實現(xiàn)該想法所需的技術不存在，花了很多年才開始對該想法進行適當?shù)拈_發(fā)。
這項技術的一些工作始于1980年代，然后在1990年代初期，NASA的一部分開始致力于檢測紫外線輻射脈沖的技術。
然而，大約在1999年生產(chǎn)了第一批設備，此后，包括Ramtron，F(xiàn)ujitsu，Texas Instruments，三星，Matsushita，Infineon和其他公司在內(nèi)的公司一直在使用該技術。
鐵電存儲器的使用
當前，鐵電RAM尚未像包括DRAM和閃存在內(nèi)的許多更成熟的技術廣泛使用。這些技術已經(jīng)根深蒂固，并且已廣泛使用。
由于開發(fā)人員通常傾向于依賴可保證提供其所需性能的受信任技術，因此他們通常不愿意使用未保證提供的技術（例如FRAM）。同樣，諸如內(nèi)存密度之類的問題限制了可用內(nèi)存的大小，也導致它們無法得到如此廣泛的使用。
但是，現(xiàn)在正使用CMOS技術將FRAM技術嵌入芯片中，以使MCU擁有自己的FRAM存儲器。與將閃存集成到MCU芯片所需的數(shù)量相比，這需要更少的階段，從而顯著降低了成本。
除了存儲器的非易失性之外，另一個優(yōu)勢是其非常低的功耗，非常適合在功耗通常是關鍵問題的MCU中使用。
鐵電存儲器的優(yōu)勢
FRAM的特性意味著它適合許多不同的用途。但是，能夠將FRAM的性能和參數(shù)與其他已建立的內(nèi)存技術進行比較非常有用。
鐵電存儲器的優(yōu)勢包括：更低的功耗，更快的寫入性能和更大的最大讀取/寫入耐久性（大約10 10]至10 14 個周期）。鐵電存儲器在+85°C時的數(shù)據(jù)保留時間超過10年（在較低溫度下長達數(shù)十年）。鐵電存儲器的市場劣勢是比閃存設備低得多的存儲密度，存儲容量限制和更高的成本。像DRAM一樣，鐵電存儲器的讀取過程具有破壞性，因此需要先寫入后讀取架構。
FRAM可以提供許多優(yōu)勢，并且可以在許多領域中使用，但是在許多情況下，F(xiàn)RAM存儲器的使用是許多特定電路設計需要具備的特性和參數(shù)之間的平衡。
鐵電RAM運行和技術基于具有可逆電極化的電介質特性晶體。
FRAM存儲器技術是非易失性的，它結合了幾乎無限數(shù)量的讀寫周期。FRAM存儲器技術還提供了非常低的功耗，使其成為許多應用程序中存儲器的競爭者。
盡管該技術比其他更成熟的技術密度低，并且具有較高的成本，但是隨著開發(fā)的進展，這些問題正在得到解決。
鐵電效應是什么
就像存儲器的名稱所暗示的那樣，鐵電RAM技術依賴于鐵電效應對其進行操作。這種效應使電介質能夠根據(jù)施加的電壓改變其極化。
在一組稱為鈣鈦礦的材料中觀察到鐵電效應。這些材料具有以原子為中心的晶體結構。該原子具有兩個相等且穩(wěn)定的低能態(tài)，它們決定了原子的位置。
這是屬于此類別的多種不同化合物。這些物質包括：鋯鈦酸鉛等。
如果在所需平面上向晶體施加電場，則原子將沿電場方向移動。然后，原子的位置決定了材料的狀態(tài)，進而可以用來存儲數(shù)據(jù)。
當原子位于頂部位置時，鐵電材料的兩個狀態(tài)稱為“上極化”，而當原子位于底部位置時，稱為“下極化”。
鐵電晶體向上極化
鐵電晶體下極化
過渡過程中需要能量，這意味著存在一個鐵電材料在其上運行的磁滯回線。
鐵電磁滯回線
應該注意的是，鐵電晶體不包含任何鐵質材料。而且它們不受磁性影響。取而代之的是，材料是根據(jù)與電壓相關的電荷圖與磁性材料的BH曲線繪制的相似性而得名。
FRAM存儲器如何工作？
可以看出，鐵電材料中可以存在兩種不同的狀態(tài)。可以在電容器中使用它來為存儲單元創(chuàng)建兩個狀態(tài)。
可以通過施加相關場來使電容器向上或向下極化。
鐵電RAM中使用的鐵電電容器和極化
鐵電電容器極化
FRAM操作的關鍵是鐵電電容器的電容是可變的。如果在施加電場時未切換電容器，即極化沒有變化，則電容器表現(xiàn)為正常的線性方式。但是，如果進行了開關，則會感應出額外的電荷，這一定是由于電容的增加所致。
為了使這種效果能夠用于存儲單元中，使用了附加的有源元件，即FET。該單元具有字線和位線，以使單個單元能夠被訪問。
基本鐵電RAM，F(xiàn)RAM存儲單元
FRAM讀取周期
FRAM存儲器的讀取操作需要多個階段。它與動態(tài)RAM DRAM中使用的非常相似。僅將位線電壓與參考電壓進行比較。該參考電壓設置在兩個電平之間，即高于未開關電壓和低于開關電壓。然后，感測放大器用作比較器，將差值放大以提供邏輯1或邏輯0。
為了更仔細地觀察該序列，該單元將最初處于其非活動狀態(tài)，其中位線為低，板線為低，字線為低，如“ A”所示。然后，它將繼續(xù)執(zhí)行內(nèi)存訪問序列。
鐵電存儲單元訪問順序
通過將電壓施加到“ B”中定義的字線和極板線上來開始訪問操作。
有兩種情況需要考慮。通過在電容器兩端施加電壓，電容器將根據(jù)其狀態(tài)而切換或不切換。
電容器狀態(tài)切換的位置：這些電壓在鐵電電容器上產(chǎn)生一個電場，該電場按''''C''''所示進行切換。
該開關過程感應出電荷，該電荷與Cbit表示的位線電容和開關鐵電電容器Cs共享。晶體管和其他互連寄生電容也會產(chǎn)生小的電容，但是效果通常很小。
因此，位線上的合成電壓與電容之比Cs：Cbit成正比。因此，位線上的電壓為Cs / Cbit x Vdd。
電容器狀態(tài)不切換：如果電容器不切換，則不會產(chǎn)生額外的電荷。
可以看出，在讀取操作中可以改變單元內(nèi)的數(shù)據(jù)，即，讀取FRAM存儲單元是破壞性的過程。因此，如果更改了該單元，則需要重新寫入該單元。
FRAM存儲器操作經(jīng)過設計，以使在開關電容器中感應出的電荷至少是未開關電容器可用電荷的兩倍。這意味著開關電容必須至少是未開關電容的兩倍。然后得出的結論是，轉換后的情況下的位線電壓將至少是未轉換時的電壓的兩倍。
可以使用類似于DRAM中使用的讀出放大器來感測該電壓。
與DRAM一樣，F(xiàn)RAM具有周期時間。這意味著連續(xù)的隨機訪問之間的時間等于周期時間，而不僅僅是訪問時間。
FRAM存儲器寫操作
用于寫入存儲器地址的FRAM操作使用與讀取操作相同的基本原理。存儲器的控制電路在鐵電電容器上沿所需方向施加磁場以寫入所需數(shù)據(jù)。
一旦就位，即使從芯片上斷開電源，數(shù)據(jù)也將保持完整。由于需要能量才能將內(nèi)存從一種狀態(tài)切換到另一種狀態(tài)，因此電荷不會像其他類型的內(nèi)存（包括DRAM或什至閃存）那樣在很小的程度上泄漏出去，并且會無限期保持不變。
FRAM存儲器的操作相對簡單。單個FET單元與包含鐵電介質的電容器一起使用。這些存儲器可以實現(xiàn)的密度尚不能達到其他技術，但是其非易失性和長壽命意味著它是許多應用程序的競爭者。
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