FeRAM商用還要多久？

imec展示了一種基于鑭摻雜鋯酸鉿(La:HZO)的鐵電電容器。該電容器具有高耐久性（1011個周期）、高最終剩余極化強(qiáng)度（1.8MV/cm時(shí)2P R =30μC/cm 2）和減少喚醒。研究人員能夠通過鐵電電容器材料的界面氧化物工程獲得這種獨(dú)特的特性組合堆。

imec稱，這種高性能、可擴(kuò)展、兼容CMOS的鐵電電容器技術(shù)對于實(shí)現(xiàn)基于FeRAM的嵌入式和獨(dú)立存儲器應(yīng)用至關(guān)重要。FeRAM是一類非易失性存儲器，具有用作嵌入式存儲器或存儲類存儲器(SCM)的潛力，填補(bǔ)了快速DRAM（~10ns訪問時(shí)間）和高密度NAND閃存之間的空白。

FeRAM具有類似DRAM的1晶體管1電容器(1T1C)單元架構(gòu)，其中電容器的電介質(zhì)被鐵電材料取代以實(shí)現(xiàn)非易失性。這種鐵電材料可以處于兩種不同的極化狀態(tài)（+P和-P），可以通過外部電場反轉(zhuǎn)。多年來，由于HZO與CMOS工藝兼容并且可擴(kuò)展至10nm以下，因此作為鐵電體的HZO備受關(guān)注。

有幾個特征可以作為嵌入式或獨(dú)立SCM發(fā)揮作用。理想情況下，F(xiàn)eRAM存儲單元的電容器具有高耐久性（>1012個開關(guān)周期），并且在整個生命周期內(nèi)具有30-40μC/cm2的剩余極化2PR。到目前為止，這種組合從未被報(bào)道過，因?yàn)殡娙萜鲿艿介L時(shí)間喚醒（開始時(shí)小的2PR）或快速疲勞（2PR迅速退化）的影響。

imec研究員鐵電項(xiàng)目主任JanVanHoudt介紹：“通過界面氧化物工程，將1nm TiO2種子層和2nm Nb2O5覆蓋層添加到La:HZO層，我們首次實(shí)現(xiàn)了高耐久性（1011次循環(huán)），最終2PR高達(dá)~30μC/cm2（在1.8MV/cm的外加電場下）和良好的初始2PR。在初步了解之后，與Nb2O5覆蓋層的接觸通過將氧氣注入HZO層促進(jìn)了向HZO所需正交相（即鐵電相）的轉(zhuǎn)變，而TiO2層有利于優(yōu)選的(002)晶粒取向，進(jìn)一步導(dǎo)致在更高的初始2PR中?！笔褂貌煌那绑w沉積HZO層，在3MV/cm下獲得了66.5μC/cm2的創(chuàng)紀(jì)錄高2PR，但具有106個循環(huán)的耐久性。

JanVanHoudt表示“現(xiàn)在擁有的高性能、可擴(kuò)展且與CMOS兼容的鐵電電容器技術(shù)，將把我們帶到下一個階段，即從平面轉(zhuǎn)向3DFeRAM電容器結(jié)構(gòu)——利用原子層沉積(ALD)工藝。這將增加將FeRAM存儲器作為新的嵌入式或獨(dú)立存儲器推向市場所需的密度。”

?FeRAM的發(fā)展

FeRAM是一種在斷電時(shí)不會丟失內(nèi)容的非易失存儲器，具有高速、高密度、低功耗和抗輻射等優(yōu)點(diǎn)。FeRAM的存儲原理是基于鐵電材料的高介電常數(shù)和鐵電極化特性，按工作模式可以分為破壞性讀出(DRO)和非破壞性讀出(NDRO)。

麻省理工大學(xué)達(dá)德利·艾倫·巴克在1952年提出的碩士論文中，首次提出了FeRAM的概念。FeRAM有比閃存更低的耗電量，還有更高的寫入速度，還有更長的讀寫壽命(大約1010到1015次循環(huán))。它在+85℃時(shí)可以保存數(shù)據(jù)十年以上。但是它的缺點(diǎn)是比閃存存儲密度低，存儲容量限制，和更高的價(jià)格。與DRAM相比，F(xiàn)eRAM的讀操作是破壞性的，因?yàn)樗枰裱葘懞笞x架構(gòu)。

FeRAM基于DRO工作模式。DRO模式是利用鐵電薄膜的電容效應(yīng)，以鐵電薄膜電容取代常規(guī)的存儲電荷的電容，利用鐵電薄膜的極化反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的寫入與讀取，這種破壞性的讀出后需重新寫入數(shù)據(jù)，所以FeRAM在信息讀取過程中伴隨著大量的擦除/重寫的操作。隨著不斷地極化反轉(zhuǎn)，此類FeRAM會發(fā)生疲勞失效等可靠性問題。

NDRO模式存儲器以鐵電薄膜來替代MOSFET中的柵極二氧化硅層，通過柵極極化狀態(tài)(±Pr)實(shí)現(xiàn)對來自源—漏電流的調(diào)制，使它明顯增大或減小，根據(jù)源—漏電流的相對大小即可讀出所存儲的信息，而無需使柵極的極化狀態(tài)反轉(zhuǎn)，因此它的讀出方式是非破壞性的?；贜DRO工作模式的鐵電場效應(yīng)晶體管(FFET)是一種比較理想的存儲方式。

FeRAM市場情況

Ramtron公司（已被Cypress收購）是最早成功制造出FeRAM的廠商。該公司剛推出高集成度的FM31系列器件，這些產(chǎn)品集成最新的FeRAM存儲器，可以用于汽車電子、消費(fèi)電子、通信、工業(yè)控制、儀表和計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域。TOSHIBA公司與INFINEON公司2003年合作開發(fā)出存儲容量達(dá)到32Mb的FeRAM，該FeRAM采用單管單電容(1T1C)的單元結(jié)構(gòu)和0.2mm工藝制造，存取時(shí)間為50ns，循環(huán)周期為75ns，工作電壓為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工藝大批量制造的FeRAM嵌入式系統(tǒng)芯片(SOC)。該公司新開發(fā)的這種產(chǎn)品整合了多種新穎的技術(shù)，包括采用了獨(dú)特的無氫損單元和堆疊結(jié)構(gòu)，將存儲單元的尺寸減小為原來的十分之一;采用了厚度小于10nm(SrBi2Ti2O9)的超微鐵電電容。

英特爾近期發(fā)表的論文也展示了堆疊型鐵電電容器可用于在邏輯芯片上構(gòu)建FeRAM。FeRAM已成為存儲器家族中最有發(fā)展?jié)摿Φ男鲁蓡T之一。然而，有觀點(diǎn)指出，當(dāng)達(dá)到某個數(shù)量的讀周期之后FeRAM單元將失去耐久性，而且由陣列尺寸限制帶來的FeRAM成品率問題以及進(jìn)一步提高存儲密度和可靠性等問題仍然亟待解決。距離FeRAM大規(guī)模商用，還有一段時(shí)間。

編輯：黃飛

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