铁电存储器工作原理和器件结构

5 铁电存储器读写过程

根据内存单元的极性状态，电荷电量小则为"0"，电荷电量大则为"1"。这个电荷转化为一个读出电压，小于参考电压则为"0"，大于参考电压则为"1"。由此读出所存储的信息，见图6。

进行读操作时，升高字线电压使MOS管导通，再使驱动线电压升高为VCC，从而存储电容的不同电荷将部分分配到位线寄生电容中去，于是BL上呈现出不同的电压，从而鉴别出数据。进行写操作时，升高字线使MOS管导通，驱动线加一脉冲，从而将位线上不同数据存入铁电电容的两个不同稳态。

通过加一个正电压或者一个负电压，这两种电压能够使电容变成两个不同的极性，通过这种方式把信息写入内存中。

6 铁电存储器的器件结构

目前铁电存储器最常见的器件结构是Planar(平面式)和Stack(堆叠式)结构，两者的区别住干铁电电容的位置还有电容与MOS管互连的方式。在Planar结构中，将电容置于场氧上面，通过金属铝，将电容上电极和MOS管有源区相连，工艺相对简单，但单元面积较大；而在Stack结构中，将电容置于有源区，通过塞子(Plug)将电容下电极和MOS管源端相连，需要CMP工艺，集成密度较高。另外，Stack结构可以采用铁电电容制作在金属线上的做法，从而减少铁电电容在形成过程中对工艺的相互影响。两种结构示意图如图7和图8所示。

Planar结构的工艺相对简单，其隔离采用LOCOS结构，且平坦化不需要使用CMP。而Stacked结构的集成度较高，但是所用工艺相对先进，隔离采用STI，平坦化需要使用CMP，导线可以使用Cu。

除此之外，还有一种结构，是采用铁电材料作栅极，这样的器件能够完全消除读出的破坏性问题，而且从理论上来说也更加节约面积，能够实现更大的集成度。但是这种结构目前还存在很严重的问题，数据保存能力很差，目前报道的最好的数据保存能力也只有一个月而已，所以距离实用还很遥远。图9是这种结构的示意图。

目前铁电存储器的线宽在0.5μm以上的时候一般都采用Planar结构，在0.5μm以下的时候一般都采用Stack结构。

7 总结

铁电存储器是新兴的非易失性存储器，它的起步比较早，率先实现了产业化，由于其具有功耗小、读写速度快、抗辐照能力强的优点，在一些需要快速存取、低功耗和抗辐照的小规模存储领域有市场。但是铁电存储器也存在集成度提高比较困难、工艺沾污较为严重、难以和传统CMOS工艺相互兼容的缺点，有待进一步研究解决。