铁电存储器的新篇章

铁电存储器(Ferroelectric RAM；FeRAM)在半导体产业存在的时间可能比目前大部份从业人员的工作期间都要长。以前管理存储器销售时，听到有一家公司一个存储器元件可以卖到几百美元，心实艳羡之。后来知道公司是Ramtron，产品是FeRAM。贵的原因是产量少，但对于抗电磁幅射(radiation hard)的应用却不得不用。Ramtron于2015卖给Cypress，Infineon于今年6月计划收购Cypress，这家素以FeRAM见称的公司终于隐没在大公司的结构之中，但FeRAM的故事尚未完结。

铁电效应类似铁磁(ferromagnetic)效应，只是前者是物质具有电偶极(electric dipole)，后者是磁偶极(magnetic dipole)，二者都是在居礼温度(Curie temperature)下会产生自发性的电、磁秩序，而且在施加外场时可以改变偶极的方向。由于偶极的方向可以操控，又是永久的性质，因此就合适被考虑为非易失性的存储器材料。它使用的机制有点类似NAND，NAND是用ONO (Oxide-Nitride-Oxide)夹层中Nitride上电荷的有无、多少改变晶体管的阈值，从而记录、阅读所储存的信息。铁电材料的电偶极也能影响晶体管的阈值，用铁电材料替代NAND中ONO层，会有类似的机制、相近的结构。

以前FeRAM的铁电材料为PZT (PbZrTi；钙钛矿相锆钛酸铅系)，化学结构复杂。在制程上还另有两个挑战：一是不容易保形(conformal)薄膜沈积；一是介电常数高达300，在晶体管上的应用异常吃力。其实PZT除了铁电性质外，还有压电性质(piezoelectric)，亦即在外加电场下，晶格会有明显的收缩/伸张。FeRAM需要施加电场来改变电偶极的方向，这也会造成铁电材料晶格收缩，对于界面的完整性，这可不妙。因为这些挑战，FeRAM以前终未进入主流的存储器应用。

新的铁电材料是 （二氧化铪），这可不是横空出世的，在高介电质(high-k dielectric)晶体管、DRAM等已被经常使用，它的介电常数是SiO2的4~6倍，半导体产业制造早已习于它的存在。兼之近年来二维材料性质研究蓬勃发展，HfO2薄膜被发现有一个相具有铁电性质，这样的性质对于第一原理计算不算困难，计算出HfO2的能带以及电荷分布即可知其铁电性。

HfO2的化学结构简单，薄膜沈积也容易保形，而且植入矽后有助于形成斜方晶格(orthorhombic)，这是HfO2铁电相所需的晶格结构。它的居礼温度可以高达470°K，在室温下运作不成问题。

IMEC已完成HfO2于二维制程的FeRAM原型测试，写入时间在100ns阶秩，较DRAM慢，但显然较NAND快很多。写入电压为4V，亦较NAND低很多。但是很不幸的，HfO2亦具有不错的压电性质—好到足以用于能源产业应用，但是这对于元件的可靠性可是个大问题－晶格经常性的伸缩迟早要把元件给毁了的！FeRAM的写入耐性(endurance)只有104，约略与NAND相若。

最引起我注意的性质是它可以3D制造。FeRAM与NAND的工作原理雷同，结构也可以相似。兼之HfO2的保形薄膜沈积性质良好，可以垂直长薄膜，所以3D的制程挑战不大。基本上，就是用4nm的HfO2替代NAND中20nm的ONO薄膜即成。

至于应用，由于速度与耐久性不如DRAM，更可能的应用是SCM(storage class memory)。另外，对于以NVM为基础的神经形态芯片(neuromorphic chip)应用，它也显然满足高容量、低功耗、永久记忆、快速写入的要求。如果发展成功了，它的竞争对手主要会是NAND和PCRAM！