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 PbZn1- xTixO3)
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.
|