前言

目前, NAND Flash是非易失存储器的主流选择. 然而，Flash的读写速度极低、读写功耗大、耐久性差, 限制了处理速度的提升和功耗的降低. [1]

新型存储器件FeRAM有望解决上述问题。FeRAM利用铁电电容中铁电材料的自发极化翻转存储数据, 在具备非易失特性的同时, 有着接近DRAM的速度和随机读写能力, 并且功耗极低. [2]

FeRAM可以充当DRAM和Flash中间的缓冲, 也有望替代DRAM和Flash, 实现超低功耗的数据存储.

然而, 若要替代DRAM, FeRAM的耐久性是仍需解决的问题. 良好的铁电电容通常可以经历1\mathrm{e}7-1\mathrm{e}10个循环. 这远大于Flash的循环数(小于1\mathrm{e}6), 但仍不及DRAM的超长耐久 (循环\geq 1\mathrm{e}15)[2, 3]. 如何提升铁电电容的耐久是目前的关键挑战.

文献研究成果

铁电电容器件的耐久特性研究

传统的对铁电电容耐久性的认识

铁电电容的耐久性主要由两个参数反映:(1) 衡量铁电性的剩余极化强度2Pr. 对于数据存储, 2Pr反映了器件的存储窗口. 若2Pr过低, 则器件无法准确存储数据. (2) 衡量介电性的漏电流SILC. SILC越小, 介电性越好. 若SILC过大, 则表示器件已漏电甚至被击穿, 器件损坏.

实验发现, 随着读写循环增加, 2Pr先增后降. 并据此将器件分为"唤醒"和"疲劳"两种状态[2, 4, 5].

本文的研究目标

传统文献虽然探究了铁电性随循环次数的影响, 但没有深入探究不同循环电场下铁电性能的不同. 文章[6]在传统认识的基础上, 探究不同循环电场对铁电性能的影响.

核心方法

文章团队对Ru-HZO-Ru结构、厚度10nm的铁电电容进行耐久性测试. 对器件施加5MHz的双极方波作为工作循环, 期间穿插PUND信号用于测量器件的剩余极化强度2Pr, 以及1V的I-V扫描用于提取场致漏电流SILC[6].

主要工作成果

文章得到了不同工作电场下, 铁电电容的2Pr和SILC随循环次数的变化数据[6].

分析数据, 可以观察到器件在大电场和小电场下呈现不同特性: (1) 大电场的唤醒效果好, 可以有效提升2Pr, 但是大电场也增加了器件击穿的风险, 导致较早出现击穿. (2) 小电场的唤醒效果差, 2Pr始终较低, 但器件的击穿时间得以延后, 甚至在2MV/cm时始终观察不到SILC的上升, 可以认为器件不会被击穿.

2Pr和SILC都会影响器件耐久, 其中的"短板"起决定作用. 在大电场下, 器件击穿是导致器件损坏的主要原因; 而在小电场下, 器件进入疲劳, 2Pr的下降是导致器件损坏的主要原因.

本文对延长铁电电容耐久提供了新思路. 鉴于大小电场对器件的不同作用, 可以考虑取两种现象之长, 交替施加大、小电场, 起到延长器件耐久的作用.

基于器件特性的操作优化设计

小电场下, 器件击穿风险低, 但2Pr低; 大电场下, 器件2Pr可以大幅升高, 但击穿风险大. 基于这些信息, 可以设计如下信号: (1) 在大部分时间里, 让器件在小电场下工作; (2) 当工作较长时间后, 让器件在大电场下进行短暂循环, 对2Pr进行"恢复". 随后再继续小电场循环.

基于这种思路设计的信号成功的恢复了2Pr, 延长了器件耐久. 不过图 3 (a) 表明当"恢复"次数较多后, 固定周期的大电场循环无法将2Pr恢复到高位.

合理的改进想法是引入反馈, 根据2Pr的值动态调整电场, 而非施加固定周期的电场. 文中设置了2Pr下限和上限. 当2Pr低于下限则切换到大电场, 进行2Pr恢复; 当2Pr达到上限则换回小电场, 让2Pr在疲劳状态缓慢下降, 如图 3 (c) 所示. 鉴于施加太长时间的大电场会增大器件的击穿风险, 2Pr上限不宜设的过高. 对比实验证实了这一点[7].

对于实际FeRAM, 监测每个铁电电容的2Pr并不现实. 对于实际器件, 可以在存储数据中引入纠错机制(ECC). 当检测到错误后, 对错误比特对应的电容施加大电场, 进行恢复操作[8].

结论

本文介绍的文献通过实验得到了不同电场下铁电电容的耐久特性, 填补了人们对于铁电耐久认识的空白. 在此基础上, 设计了一种动态调节的信号方案, 通过交替施加大、小电场实现耐久的延长.

文献设计的信号只采用了一种大电场的值(5MV/cm), 没有探究不同的恢复电场大小对耐久延长效果的影响. 鉴于大电场会加速器件击穿, 使用幅度较小的"中等电场" 也许有进一步延长耐久的潜力.