Table of Contents

Ферроэлектрические материалы занимают уникальное положение в физике конденсированного вещества и стали незаменимыми при проектировании современных энергонезависимых запоминающих устройств. По определению, эти материалы обладают спонтанной электрической поляризацией, которая может быть переключена между двумя или более стабильными состояниями внешним прикладным полем. Эта двоичная возможность переключения отображает непосредственно на логические состояния «0» и «1», необходимые для цифрового хранения данных, и в отличие от летучих запоминающих устройств (например, DRAM, SRAM), состояние поляризации сохраняется, когда питание выключено. Наиболее коммерчески заметное применение - сегнетоэлектрическая память с произвольным доступом (FeRAM), которая сочетает в себе неволатильность флэш-памяти с быстрыми скоростями чтения / записи и низким энергопотреблением, которые приближаются к динамическим ОЗУ. Понимание электрических свойств, которые управляют переключением поляризации, хранением заряда и долгосрочной надежностью, имеет важное значение для продвижения как существующей технологии FeRAM, так и новых концепций сегнетоэлектрической памяти.

Основы ферроэлектричества

Кристаллическая структура и спонтанное поляризация

Ферроэлектричество возникает в кристаллических материалах, которые имеют нецентросимметричную кристаллическую структуру — чаще всего перовскит или слоистый перовскит со структурным фазовым переходом, который создает постоянный электрический диполь. В прототипном перовските (PZT) свинцовый цирконат титанат (PZT) , единичная ячейка в сегнетоэлектрической фазе слегка искажена от кубической симметрии: центральный титан (или цирконий) ион смещен за центр относительно кислородного октаэдра, производя чистый дипольный момент. Это выравнивание диполей в соседних ячейках единицы создает макроскопическую поляризацию даже в отсутствие электрического поля. Величина спонтанной поляризации (P]s ) и принудительное поле (Ec — поле, необходимое для обращения поляризации — два наиболее важных

Другие известные сегнетоэлектрические материалы включают бариевый титанат 3, стронтиевый бисмутный танталат (SBT), а в последнее время хафниевый оксид (HfO:7]]2, хотя классические перовскитные сегнетоэлектрики имеют большие значения поляризации, они часто требуют относительно высоких температур обработки и могут быть трудно интегрированы со стандартной комплементарной технологией металл-оксид-полупроводник (CMOS). С другой стороны, оксид Хафния является CMOS-совместимым диэлектриком с высоким содержанием к, который может быть сделан сегнетоэлектрическим с помощью тщательного допинга с элементами, такими как кремний, цирконий или алюминий и надлежащей термической обработки. Это открытие оживило поле, поскольку сегнетоэлектрики на

Гистерезис и последствия памяти

Электрическая подпись сегнетоэлектрического материала - это его поляризация против электрического поля (P-E) гистерезисная петля. Когда применяется синусоидальное или треугольное электрическое поле, поляризация не следует линейному пути; вместо этого она отслеживает петлю, площадь которой представляет энергию, рассеиваемую во время поляризации. Два стабильных поляризационного состояния - положительная и отрицательная поляризация (P]r и −Pr - остаются после удаления внешнего поля. Эти стойкие состояния являются основой двоичного хранения данных. Ячейка памяти использует сегнетоэлектрический конденсатор или сегнетоэлектрический транзистор; чтение состояния включает обнаружение направления импульса тока, которое возникает в результате переключения конденсатора (разрушающий считывание) или измерения порогового сдвига напряжения транзистора (неразрушающий считывание).

Ключевые параметры, извлеченные из цикла гистерезиса, включают:

  • Постоянная поляризация (Pr) — определяет доступную разность зарядов между состояниями «0» и «1», что определяет предел восприятия.
  • Принудительное поле (Ec) — связанное с напряжением, необходимым для записи бита; низкое Ec позволяет работать с низким напряжением, но может поставить под угрозу удержание, если оно слишком мало.
  • Поляризация насыщения (Psat) — максимальная поляризация, достижимая под данным полем, часто используемая для вывода полной возможности переключения.
  • квадратность петли — мера того, как резко переключается поляризация; квадратная петля минимизирует частичное переключение и улучшает дискриминацию между состояниями.

Ключевые электрические свойства для производительности устройства памяти

Поляризация меняет скорость

В сегнетоэлектрических воспоминаниях скорость, с которой поляризация может быть обращена, непосредственно определяет время записи. Классические модели с ограниченным нуклеаризацией переключения показывают, что разворот поляризации происходит путем образования и роста обратно ориентированных доменов. Время переключения (t ]sw ) обычно следует экспоненциальной зависимости от приложенного поля, описанного законом Мерца: t sw ⁇ exp (−α/E. Поэтому для достижения наносекундного времени переключения приложенное напряжение должно быть значительно выше принудительного напряжения. Для конденсаторов PZT время переключения ниже 10 нс обычно достигается, тогда как сегнетоэлектрики на основе HfO 2 могут переключаться в течение нескольких наносекунд при умеренных напряжениях переключения, что делает их кандидатами на высокоскоростную встроенную память.

Диэлектрическая разрешающая способность и емкость

Ферроэлектрические материалы проявляют большую диэлектрическую проницаемость (ε]r) вблизи температуры Кюри, но даже при комнатной температуре их проницаемость часто составляет сотни и тысячи. Высокая проницаемость означает, что сегнетоэлектрический конденсатор может хранить относительно большой заряд на единицу площади для заданной толщины — ценный для массивов памяти высокой плотности. Однако это также увеличивает паразитическую ёмкость ячейки памяти, которая может замедлить работу считывания, если не управляться с тщательной конструкцией схемы. Кроме того, проницаемость нелинейна с полем, которое влияет на форму сигнала считывания. Инженеры часто оптимизируют , а не сам проницаемость, потому что продукт стойкой поляризации и область конденсатора непосредственно устанавливает заряд, который должен быть воспринят во время считывания.

Утечка тока и изоляционные свойства

Для запоминающего устройства для хранения данных, сегнетоэлектрический конденсатор также должен быть отличным электрическим изолятором. ток утечки - нежелательный поток заряда через тонкую пленку - может постепенно уменьшать поляризацию, приводя к потере удержания или даже ложному чтению. Доминирующие механизмы утечки в сегнетоэлектрических тонких пленках являются Schottky эмиссии на интерфейсах электродов и пространственно-зарядной проводимости через объемные ловушки. Для уменьшения утечки исследователи используют электроды с высокой рабочей функцией (такие как Pt или IrO 2 2 или SiO 2 на интерфейсах. плотность тока утечки в современных конденсаторах FeRAM обычно ниже 10 -7 для рабочих

Пироэлектрические и пьезоэлектрические эффекты

Хотя они не используются непосредственно для хранения данных в обычной FeRAM, пироэлектрические свойства сегнетоэлектриков и и важны для системных соображений. Например, изменения температуры могут вызывать пироэлектрические токи, которые нарушают сохраненную поляризацию (проблема в автомобильной или промышленной среде). Аналогичным образом, механическое напряжение — обычное в упакованных чипах — может изменять поляризацию через пьезоэлектрический эффект, что потенциально приводит к битовым ошибкам в сильно масштабируемом массиве. Дизайнеры должны учитывать эти перекрестные связи, используя слои, снимающие напряжение, и обеспечивая адекватный температурный запас.

Архитектура и эксплуатация FeRAM

1Т-1С и 1Т клеточные структуры

Наиболее широко используемая ячейка FeRAM состоит из одного транзистора и одного сегнетоэлектрического конденсатора (1T-1C), аналогичного ячейке DRAM, за исключением того, что конденсатор является сегнетоэлектрическим. Чтение деструктивно: битовая линия заряжается, затем строка слова включает транзистор, заставляя линию пластин переключаться. Если конденсатор был поляризован в положительном направлении, ток большой; если в отрицательном направлении течет меньший ток. Усилитель чувств сравнивает этот ток со ссылкой. После считывания данные переписываются автоматически (операция восстановления). Более продвинутая 1T ячейка (ферроэлектрический полевой транзистор, FeFET) использует сегнетоэлектрический слой в качестве изолятора затвора; состояние поляризации модулирует проводимость канала, давая неразрушающий считывание. FeFETs более масштабируемы в области, но страдают от проблем с удержанием, вызванных улавливанием заряд

Пишите выносливость и велосипед

Одним из самых требовательных электрических требований для любой энергонезависимой памяти является выносливость записи - количество циклов записи, которые устройство может выдержать до того, как сигнал ухудшится неприемлемо. Для конденсаторов FeRAM основной причиной отказа выносливости является усталость : прогрессивное снижение переключаемой поляризации после повторного биполярного цикла. Усталость связана с накоплением вакансий кислорода вблизи электродно-ферроэлектрических интерфейсов и склеиванием доменных стенок. Такие методы лечения, как использование оксидных электродов 3 или включение небольших количеств акцепторных допантов (например, FLT:4]]8 ], могут улучшить выносливость от 10 14 циклов в производственных устройствах. Напротив, FeFET часто показывают выносливость, ограниченную 10 5

Электрические вызовы и механизмы деградации

усталость

Усталость проявляется как уменьшение как реманентной поляризации, так и переключательного тока. Микроскопически повторяющееся поляризованное переключение порождает структурные дефекты — в основном кислородные вакансии — которые накапливаются на стенках домена и зажимают их от перемещения. Закрепленные стенки уменьшают объем переключаемого материала. Электрическая характеристика через измерение P-E гистерезиса на протяжении многих циклов является стандартным тестом; начало усталости рассматривается как защемление петли или уменьшение реманентной поляризации. Решения включают использование электродов, которые действуют как поглотители кислорода (например, IrO 2 ) или принятие слоистых сегнетоэлектрических структур (например, SBT), которые менее склонны к миграции вакансий.

Утрата удержания

Потеря удержания — это постепенное разрушение поляризации с течением времени при нулевом смещении. Это происходит потому, что сохраненная поляризация не является полностью стабильным термодинамическим состоянием; существует конечная вероятность того, что домен перевернется, особенно если существуют внутренние деполяризующие поля. Стандартный тест удержания включает программирование конденсатора в одно состояние, выпекание при температуре (например, 85 ° C или 125 ° C) в течение длительного периода, а затем измерение оставшейся поляризации. Качественные пленки демонстрируют менее 10% потери в течение десяти лет при 85 ° C. Компьютерные модели на основе отношений [[FLT: 1] или [[FLT: 2]] Vogel-Fulcher [[FLT: 3]] используются для экстраполяции удержания комнатной температуры от ускоренных тестов.

отпечаток

Импринт — явление, при котором одно поляризованное состояние становится более энергетически благоприятным с течением времени, заставляя цикл гистерезиса смещаться вдоль оси поля. После записи материал склонен отдавать предпочтение этому состоянию, поэтому принудительное поле для отключения от этого состояния увеличивается, в то время как принудительное поле другого состояния уменьшается. Это может привести к ошибкам чтения, если усилитель чувств не может различить состояния. Импринт тесно связан с дефектом выравнивания диполей и усугубляется высокими температурами. Стратегии смягчения включают циклы после записи «обновления», которые периодически чередуют поляризацию, и материаловедение для уменьшения подвижных зарядов.

Эффекты масштабирования и размера

Современные технологии памяти требуют все более тонких пленок для снижения рабочего напряжения и размера ячейки. Однако, когда сегнетоэлектрические пленки масштабируются ниже примерно 50 нм (для PZT) или 5 нм (для HfO]2, возникает несколько электрических проблем: ток утечки резко возрастает (из-за вызванной поверхностью деполяризации), и цикл гистерезиса может потерять свою квадратную форму. Обратные пьезоэлектрические эффекты также становятся более выраженными в ультратонких пленках, потому что меняются механические граничные условия. Исследование в ультратин HfO2-основанных сегнетоэлектриков -основанных сегнетоэлектриков было особенно плодотворным, поскольку эти пленки поддерживают хорошие сегнетоэлектрические свойства до 2 нм, что позволяет работать с Fe

Новые ферроэлектрические материалы и пути интеграции

Оксид-основанный оксид хафния Ферроэлектрик

Как уже упоминалось, открытие сегнетоэлектричества в легированных HfO2 тонких пленках (например, Hf0.50.5O2, или HZO) было игровым переключателем. HZO уже используется в качестве диэлектрика с высоким кабелем в продвинутых узлах CMOS; сегнетоэлектрическая версия может быть получена просто путем управления температурой кристаллизации и каппинговым слоем. Она демонстрирует поляризацию ~15 мкС/см2, принудительное напряжение около 1 В для 10-нм пленки и отличную масштабируемость толщины. Более того, HZO FeFETs и сегнетоэлектрические конденсаторы были изготовлены на 300-мм пластинах, демонстрируя четкий путь к объемному производству. Внешний ресурс: Недавний

Двумерные ферроэлектрики

Атомно тонкие сегнетоэлектрики, такие как CuInP2S6 и некоторые дихалкогениды переходных металлов, исследуются для чрезвычайно масштабированных ячеек памяти. Их электрические свойства — конечная поляризация на монослойном пределе, низкое напряжение переключения и потенциал для интеграции с 2D-полупроводниками — могут привести к гибкой или сверхплотной памяти. Однако до сих пор эти материалы не имеют выносливости и термической стабильности, необходимой для коммерческого использования.

Интеграция с CMOS Logic

Критической практической задачей является монолитная интеграция сегнетоэлектрических конденсаторов или затворов с лежащей в основе логикой CMOS. Для FeRAM конденсатор обычно встраивается в бэкэнд-оф-лайн (BEOL) после завершения транзисторов. Для этого требуется тепловой бюджет, который не повреждает силицид транзистора или профили допанта. Конденсаторы PZT требуют температур 600 °C для кристаллизации - слишком высокие для BEOL в продвинутых узлах. HZO, напротив, кристаллизуется при температурах 400-500 °C, что совместимо с обработкой BEOL. Совсем недавно исследователи продемонстрировали FeFET с затворами HZO в полностью совместимом с CMOS процессе. Внешний ресурс: Интеграция HfO2 FeFETs в 28 нм CMOS.

Будущий прогноз

Эволюция энергонезависимой памяти на основе сегнетоэлектриков будет зависеть от преодоления проблем выносливости и удержания без ущерба для скорости или плотности. Материалы следующего поколения, такие как , легированные HfO 2 с более высокой поляризацией остатков (приблизительно 30 мкК/см2) и , которые используют квантовое туннелирование электронов через ультратонкий сегнетоэлектрический барьер, уже появляются в литературе. FTJs предлагают неразрушающий считывание с очень высокими коэффициентами сопротивления, хотя они сталкиваются с проблемами масштабирования. В более долгосрочной перспективе сероэлектрические-антиферроэлектрические смеси и воспоминания доменной стенки могут обеспечить многоуровневое хранение и сверхбыстрое переключение.

С точки зрения приложений, самый большой потенциальный рынок для сегнетоэлектрических воспоминаний - это встроенная память для микроконтроллеров и устройств IoT, где она может заменить флэш-память более быстрыми записями и меньшей мощностью. Кроме того, FeRAM используется в смарт-картах, RFID-метках и медицинских имплантатах, где целостность данных в течение длительных периодов имеет решающее значение. Поскольку электрические характеристики сегнетоэлектрических материалов продолжают улучшаться - особенно с точки зрения выносливости и масштабирования - индустрия памяти, вероятно, примет FeRAM более широко, возможно, даже в качестве универсальной памяти, которая сочетает в себе лучшие аспекты DRAM и флэш-памяти.

Исследователи и инженеры должны продолжать следить за фундаментальными электрическими свойствами: динамикой поляризации, утечкой, механизмами усталости и физикой удержания. Передовые методы характеристики , такие как микроскопия силы пьезореспона (PFM), дифракция рентгеновских лучей in-situ и быстрые измерения импульсов проливают свет на наномасштабные процессы, которые контролируют надежность устройства. При постоянных усилиях в следующем десятилетии, вероятно, будут наблюдаться сегнетоэлектрические энергонезависимые воспоминания, достигающие зрелости, которая преобразует ландшафт цифровой электроники.