Новости науки 15.06.02. Сегнетоэлектрическая память: состояние и перспективы

Несмотря на конкуренцию со стороны разрабатываемых многими фирмами магнитных энергонезависимых запоминающих устройств, сегнетоэлектрические устройства пока сохраняют свое лидирующее положение. Смарт-карты, логические приборы с изменяемой конфигурацией, перепрограммируемые микроконтроллеры - это всего лишь немногие примеры использования сегнетоэлектрической памяти.

Сегнетоэлектрик - это диэлектрик или полупроводник, обладающий в определенном диапазоне температур спонтанной поляризацией. При понижении температуры в таком веществе происходит фазовый переход, связанный с искажением кристаллической структуры, что и приводит к появлению спонтанной поляризации. Спонтанная поляризация сегнетоэлектрика легко изменяется под влиянием внешних воздействий, в частности, при приложении электрического поля. Именно это свойство сегнетоэлектриков используется для создания запоминающих устройств с произвольной выборкой (ЗУПВ). В литературе они получили название FRAM (Ferroelectric Random Access Memory). В запоминающем устройстве FRAM-типа сегнетоэлектрик (как правило, перовскит PbZn_{1- x}Ti_xO₃) создает конденсаторную структуру, в которой формируются два состояния спонтанной поляризации. При приложении напряжения к электродам конденсатора сегнетоэлектрик оказывается одном из этих состояний, оно сохраняется и после снятия электрического поля. Приложение электрического поля той же величины, но противоположного направления, заставляет сегнетоэлектрик переключаться во второе стабильное состояние поляризации. Считывание состояния памяти (0 или 1) осуществляется с помощью дополнительного зарядового импульса, подаваемого на опорный конденсатор.

FRAM использует два типа ячеек памяти - 1T1C и 2T2C - отличающихся друг от друга схемами опорного сигнала, участвующего в считывании состояния. Ячейка 2T2C, содержащая два конденсатора и два транзистора, занимает довольно большую площадь, такая ячейка используется для массового производства FRAM емкостью до 256 К. Время считывания/записи для такой ячейки составляет 70 - 150 нс, срок службы - 10¹⁰ циклов считывания/записи, а время хранения информации - более 10 лет. Другая используемая ячейка - 1Т1С - состоит из одного транзистора и одного конденсатора, поэтому ее размер значительно меньше; FRAM емкостью 1 и 2 М на основе такой ячейки находятся в стадии финишной разработки.

Массовое производство FRAM началось в 1992 году, и пока на рынке энергонезависимые FRAM запоминающие устройства не имеют себе равных по комбинации параметров (быстрое считывание и быстрая запись, малое рабочее напряжение, износостойкость). Но необходим дальнейший прогресс в увеличении емкости FRAM ЗУ и в уменьшении рабочего напряжения, чтобы они могли конкурировать с альтернативными энергонезависимыми ЗУ, такими, как промышленные программируемые ПЗУ с электрическим стиранием и высокой емкостью. Заявленная недавно новая архитектура FRAM ячейки, СОР (capacitor-on-plug), в которой сегнетоэлектрический конденсатор размещен на верху контактного штырька, соединяющего конденсатор и транзистор, позволяет уменьшить размер ячейки в несколько раз и достичь емкости, соизмеримой с емкостью полупроводниковых динамических ЗУПВ и флэш-ЗУ. Используя 0.25 мкм и 0.18 мкм КМОП-технологии, можно масштабировать площадь конденсаторов в FRAM-ячейках до размеров 0.20 мкм² и 0.13 мкм², и это еще не предел.

перейти к началу страницы