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二氧化铪铁电存储器面临的挑战

  • 林育中

铁电存储器是目前各家存储器公司、甚至系统芯片公司戮力以赴的目标。法新社

新材料的使用或熟悉材料的新应用大概是目前半导体创新的最大驱动力之一,前者如二维材料的引进,后者如二氧化铪(HfO2)之于铁电存储器。二氧化铪自28nm以下就被广泛应用于CMOS的髙k介电质以及DRAM电容中的介电质。之后又被应用于ReRAM的阻变材料,是半导体已极其熟悉的材料。

掺杂(doped)的二氧化铪在斜方晶相(orthorhombic)具有铁电性质(ferrielectric),此一现象自从2011年被发现后,迅速导入存储器元件应用的工程开发。虽说铁电存储器元件理论上可以有FeFET (像NAND)、FeRAM (像DRAM)、FTJ (穿隧元件,像MRAM)等形式,但是由于FTJ需要较大的读取电流,目前认为FeFET和FeRAM是比较近期可以实施的方案。

二氧化铪是在掺杂其它物质后才会产生铁电性质。晶体掺杂其它物质后必然产生缺陷-主要是氧空缺(oxygen vacancy),影响铁二氧化铪铁电性质表现的也是氧空缺,是成也萧何,败也萧何。

FeRAM和FeFET主要面临的问题有3:1、是铭刻(imprint);2、是唤醒效应(wake-up effect);3、是耐久性(endurance)的问题。

铭刻是指铁电存储器为了维持在一个状态的稳定性,以致于造成另一个状态保留时间(retention time)丧失的倾向。它可能的起因是氧空缺的电荷捕捉(charge trapping),到目前为止这问题的研究还不够,但这问题与第3个问题耐久性息息相关,所以向第3个问题攻关也可能改善铭刻的问题。

唤醒效应是指铁电存储器元件会经历原始(pristine)、唤醒(woken-up)以及疲乏(fatigue) 3个阶段。原始阶段大概是使用1000次左右前的阶段,它的电流/电压曲线(I-V curve)与理想的状况不同,电流稍低,而且电流的峰值会分叉。唤醒阶段的I-V曲线是理想的元件工作曲线。疲乏阶段大约发生在使用百万次以上,此时I-V曲线的电流峰值又会稍为下降。此三阶段变化的原因可以用氧空缺密度的移动来解释。在原始阶段,氧空缺集中在接口处。使用几次后,接口的氧缺陷密度减少,块材(bulk)部分全部变成铁电相。进入疲乏状态后,块材部分氧缺陷密度增加,漏电流开始增大。唤醒效应的问题可以用提髙退火温度或调整掺杂密度来缓解,但都有相应的工程代价要付出。

二氧化铪铁电存储器的耐久性大概在1010~1011,比以前PZT (lead zirconium titanate)材料铁电存储器要差4、5个数量级,这不打紧。但是与DRAM所需的1012还差些,这就会大幅限缩应用的范围。它失效的症状先是漏电流显著增加,接下来是极化的疲乏。这个问题最主要的原因是翻转极化状态所需的电压j为击穿电压(breakdown voltage)的60%~80%,二者的差距太小,以至于每次在写入时,对铁电材料也造成相当伤害。但是用于铁电存储器的二氧化铪击穿电压低还是因为其有氧缺陷,结构较脆弱。所以透过对氧缺陷的操控,还是有可能提升耐久性的。

看来要面对的挑战还不少,但是铁电存储器还是目前各家存储器公司、甚至系统芯片公司戮力以赴的目标,为什么?10年以上保留时间、最快写入时间1ns以下、耐久性近乎DRAM、FeFET可以在22nm实现,也有3D堆叠制程的可能性、FeRAM如使用深沟电容的方式可以在10nm以下制造。这些优点或许必须取舍,无法实现在同一元件上,但是折衷之后取得最优化结果,可以在存储器生态区中取得一特定区位,这点是毋庸置疑的。

现为DIGITIMES顾问,1988年获物理学博士学位,任教于中央大学,后转往科技产业发展。曾任茂德科技董事及副总、普天茂德科技总经理、康帝科技总经理等职位。曾于 Taiwan Semicon 任咨询委员,主持黄光论坛。2001~2002 获选为台湾半导体产业协会监事、监事长。现在于台大物理系访问研究,主要研究领域为自旋电子学相关物质及机制的基础研究。