发布时间：2022-12-7 阅读量：979 来源: 我爱方案网整理 发布人: Aurora
imec展示了一种基于镧掺杂锆酸铪(La:HZO)的铁电电容器。该电容器具有高耐久性（1011个周期）、高最终剩余极化强度（1.8MV/cm时2P R =30µC/cm 2）和减少唤醒。研究人员能够通过铁电电容器材料的界面氧化物工程获得这种独特的特性组合堆。
imec称，这种高性能、可扩展、兼容CMOS的铁电电容器技术对于实现基于FeRAM的嵌入式和独立存储器应用至关重要。FeRAM是一类非易失性存储器，具有用作嵌入式存储器或存储类存储器(SCM)的潜力，填补了快速DRAM（~10ns访问时间）和高密度NAND闪存之间的空白。
FeRAM具有类似DRAM的1晶体管1电容器(1T1C)单元架构，其中电容器的电介质被铁电材料取代以实现非易失性。这种铁电材料可以处于两种不同的极化状态（+P和-P），可以通过外部电场反转。多年来，由于HZO与CMOS工艺兼容并且可扩展至10nm以下，因此作为铁电体的HZO备受关注。
有几个特征可以作为嵌入式或独立SCM发挥作用。理想情况下，FeRAM存储单元的电容器具有高耐久性（>1012个开关周期），并且在整个生命周期内具有30-40µC/cm2的剩余极化2PR。到目前为止，这种组合从未被报道过，因为电容器会受到长时间唤醒（开始时小的2PR）或快速疲劳（2PR迅速退化）的影响。
imec研究员铁电项目主任JanVanHoudt介绍：“通过界面氧化物工程，将1nm TiO2种子层和2nm Nb2O5覆盖层添加到La:HZO层，我们首次实现了高耐久性（1011次循环），最终2PR高达~30µC/cm2（在1.8MV/cm的外加电场下）和良好的初始2PR。在初步了解之后，与Nb2O5覆盖层的接触通过将氧气注入HZO层促进了向HZO所需正交相（即铁电相）的转变，而TiO2层有利于优选的(002)晶粒取向，进一步导致在更高的初始2PR中。”使用不同的前体沉积HZO层，在3MV/cm下获得了66.5µC/cm2的创纪录高2PR，但具有106个循环的耐久性。
JanVanHoudt表示“现在拥有的高性能、可扩展且与CMOS兼容的铁电电容器技术，将把我们带到下一个阶段，即从平面转向3DFeRAM电容器结构——利用原子层沉积(ALD)工艺。这将增加将FeRAM存储器作为新的嵌入式或独立存储器推向市场所需的密度。”
FeRAM的发展
FeRAM是一种在断电时不会丢失内容的非易失存储器，具有高速、高密度、低功耗和抗辐射等优点。FeRAM的存储原理是基于铁电材料的高介电常数和铁电极化特性，按工作模式可以分为破坏性读出(DRO)和非破坏性读出(NDRO)。
麻省理工大学达德利·艾伦·巴克在1952年提出的硕士论文中，首次提出了FeRAM的概念。FeRAM有比闪存更低的耗电量，还有更高的写入速度，还有更长的读写寿命(大约1010到1015次循环)。它在+85℃时可以保存数据十年以上。但是它的缺点是比闪存存储密度低，存储容量限制，和更高的价格。与DRAM相比，FeRAM的读操作是破坏性的，因为它需要遵循先写后读架构。
FeRAM基于DRO工作模式。DRO模式是利用铁电薄膜的电容效应，以铁电薄膜电容取代常规的存储电荷的电容，利用铁电薄膜的极化反转来实现数据的写入与读取，这种破坏性的读出后需重新写入数据，所以FeRAM在信息读取过程中伴随着大量的擦除/重写的操作。随着不断地极化反转，此类FeRAM会发生疲劳失效等可靠性问题。
NDRO模式存储器以铁电薄膜来替代MOSFET中的栅极二氧化硅层，通过栅极极化状态(±Pr)实现对来自源—漏电流的调制，使它明显增大或减小，根据源—漏电流的相对大小即可读出所存储的信息，而无需使栅极的极化状态反转，因此它的读出方式是非破坏性的。基于NDRO工作模式的铁电场效应晶体管(FFET)是一种比较理想的存储方式。
FeRAM市场情况
Ramtron公司（已被Cypress收购）是最早成功制造出FeRAM的厂商。该公司刚推出高集成度的FM31系列器件，这些产品集成最新的FeRAM存储器，可以用于汽车电子、消费电子、通信、工业控制、仪表和计算机等领域。TOSHIBA公司与INFINEON公司2003年合作开发出存储容量达到32Mb的FeRAM，该FeRAM采用单管单电容(1T1C)的单元结构和0.2mm工艺制造，存取时间为50ns，循环周期为75ns，工作电压为3.0V或2.5V。
Matsushita公司也在2003年7月宣布推出世界上第一款采用0.18mm工艺大批量制造的FeRAM嵌入式系统芯片(SOC)。该公司新开发的这种产品整合了多种新颖的技术，包括采用了独特的无氢损单元和堆叠结构，将存储单元的尺寸减小为原来的十分之一;采用了厚度小于10nm(SrBi2Ti2O9)的超微铁电电容。
英特尔近期发表的论文也展示了堆叠型铁电电容器可用于在逻辑芯片上构建FeRAM。FeRAM已成为存储器家族中最有发展潜力的新成员之一。然而，有观点指出，当达到某个数量的读周期之后FeRAM单元将失去耐久性，而且由阵列尺寸限制带来的FeRAM成品率问题以及进一步提高存储密度和可靠性等问题仍然亟待解决。距离FeRAM大规模商用，还有一段时间。
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