2024年4月25日发(作者：迮昕昕)
铁电存储电路的发展与单元模型简介
摘要：非挥发性内存目前已广泛应用于存储卡和数码录音机等小型记录介质中。其特点是即便
关闭电源，保存的数据也不会丢失。目前使用最广泛的非挥发性内存是闪存。不过，闪存的缺
点是写入速度慢，可擦写次数有限。为了克服这些缺点，通过对保存数据的元件进行改进，目
前已开发出一种新的非挥发性内存。它的记录元件采用强介电体的FeRAM（ferroelectric RAM）。
由于其低工作电压、低功耗、快的读写速度、重复读写次数多、保存信息长、抗辐照等优点，
被认为是未来最有希望的存储器件之一，在国际上引起了广泛的研究兴趣并且已经有成品问世。
尤其是最近几年来，FeRAM内存的专利件数急速成长，研发态势非常强烈。全球许多大公司如
Ramtron，富士通,Hynix,英飞凌科技，东芝，松下都在FeRAM加大投入力度，展开激烈的竞争与
合作。在这篇文章中，粗略地介绍了铁电存储器的发展历程和应用领域，主要介绍了铁电存储
器研究领域中的单元建模问题，虽然我们知道铁电存储器目前的主要问题是介观尺度下的铁电
材料所能表现出来的铁电特性已不是很明显，但作为回顾这种存储器的发展，介绍在三四年以
前就做得非常成熟了单元模型一些理论，还是比较有意义的。
关键词：发展，铁电存储器，非挥发存储，电路设计，模型，存储单元
Development, FeRAM, non-volatile memory, circuit design, model, memory cell
介绍
在过去的这三四十年里，无论是PC
机还是其他电子产品，浮栅存储器一直
是非挥发存储的主流。可是最近几年来，
铁电存储器在业界已经引起了越来越多
的研发人员的注意。例如，截至2000
年，美国专利局已经通过了300多项专
利，而且这种增加的趋势日益明显。形
成这种状况的驱动力主要有两点：铁电
存储的快速访问时间和低功耗，而这两
点对于现阶段大规模走向市场的无线电
子卡片和数码相机来说是至关重要的
[26]。
这篇文章分为两个部分。第一部分
阐述了铁电存储电路的发展背景，主要
探讨了铁电存储器的发展历程和趋势以
及其应用领域。第二部分主要是介绍一
些关于铁电存储单元建模的一些现有的
理论和模型。
第一部分：铁电存储电路的发展状况
I．从铁电存储电路的出现到广泛应用
自从1921年发现铁电性以来，对于
许多科学家和工程师而言，铁电的两个
稳定的计划状态+P和-P显然是可以用
来编制布尔代数中的0和1。这就可以
形成现代计算机中存储和逻辑电路的基
础。然而对铁电材料的铁电性的应用知
道最近些年才发展起来。
早在上世纪50年代人们就发现了
铁电材料的特性并开始了关于铁电存储
器的研究[1]。但是在之后的三十年间并
没有实质性的进展，主要原因有两个，
一是因为很难找到一个与传统硅半导体
工艺匹配而又性能稳定的铁电材料；二
是铁电薄膜的制备工艺还不成熟，薄膜
厚度降不下来（100µm左右），所以开关
电压降不下来（100V左右）[2]。
直到上世纪80年代末90年代初，
随着制备工艺的发展和性质优良的铁电
材料的发现使得铁电存储器的研究豁然
开朗。首先，相继发现了PZT（锆钛酸
铅）和SBT（钽铋酸锶）等材料，其次，
薄膜制备工艺的改进使得这些铁电材料
薄膜在几十纳米厚度还保持铁电性。
1988年，基于PZT材料的1T1C结构的
铁电存储器的研究结果首先被发表[3]，
虽然其规模只有象征性地256b，且存储
单元面积只有50µm
2
，但5V的工作电
压和100ns的工作速度已经显示出它的
优越的性能和巨大的应用潜力。之后，
陆续发表了很多基于PZT或SBT存储器
的研究结果[4]-[14][20]，铁电存储器技
术显示了其进入市场的条件。
与此同时，随着科技的发展，市场
上各种新型数码、便携式和无线产品，
譬如移动电话，PDA，手提电脑，MP3
随身听，数码相机等等的不断涌现，对
非挥发性存储器产品及性能有了越来越
大多的需求。非挥发性保证在不工作情
况下数据可以长时间被保存（长达数
年），这对于大多数的电子系统非常重
要，譬如说手机中的短信和电话号码在
关机状态下仍然不会丢失。新产品的巨
大市场一方面导致非挥发性存储器在市
场上的占有率越来越高[14]，另一方面
导致了对高性能的非挥发性存储器的需
求日益增加。目前这些产品大多数采用
Flash或EEPROM来存储数据，然而，
它们在与非挥发性同样重要的可编程性
上存在自身的缺点：1）写速度慢（~1µs）。
2）可重复编程/擦除次数（耐写次数）
相对较少，只有百万次左右。3）由于工
作原理限制，Flash和EEPROM需要较
高的电压才能完成编程和擦除工作，较
高的电压由外部提供或是内部电荷泵产
生，这使得Flash和EEPROM无论在功
耗方面还是电路复杂方面都存在一些问
题。因此，Flash和EEPROM已逐渐不
能满足现代科技的需求，而FRAM应用
其独特的优点使得其成为Flash和
EEPROM最有希望的替代品之一。
市场的需要和优良的性能使得铁电
存储器作为一个被广泛看好的未来存储
器，得到了各科研单位和公司前所未有
的关注，关于FRAM的文章，专利和产
品不断。在科研领域，专门围绕FRAM
的制备和应用的国际会议“集成铁电年
会”（ISIF）从1989年开始每年一次，
在每年的ISSCC和IEDM等重要地国际
会议上都有相关文章发表。在市场上，
从1988美国的Ramtron公司第一个成功
制备以PZT作为铁电薄膜的FRAM以后
[15]，以美国、日本为主的众多半导体
公司都围绕FRAM展开了激烈的技术竞
争，以取得在未来存储器及整个微电子
技术领域的优势。
近二十年来，FRAM发展得很快，
其各方面性能在不断提高。从最开始的
256b规模，5V工作电压，4µm工艺，
100ns工作速度，10
9
耐写次数 [3]；到
几Mb规模，3V左右工作电压、0.5µm
左右工艺，80ns工作速度，10
12
耐写次
数（这也是现今普遍的FRAM产品的性
能）[8]-[10][12]；2002年11月，美国的
Texas Instruments（TI）公司宣布他们已
经采用五层金属布线、铜互连、0.13µm
的工艺生产出64M的FRAM，其读写周
期35ns，采用堆栈式结构，单元面积
0.54µm
2
，工作电压1.3V [20]。2004年6
月15日德国英飞凌科技与东芝在美国
檀香山开幕的半导体制造技术国际会议
上公布了采用立体结构电容器的存储单
元以及存储阵列结构“Chain FeRAM”
的试产结果，这将意味着比现有的
FeRAM更容易提高设计工艺。
铁电存储器的应用前景非常广泛，
上至空间领域下至便携的电子产品，
FRAM都可以作为替代Flash和
EEPROM的新一代非挥发性存储器得
以应用。图1是FRAM应用的领域[2]。
由于铁电材料抗辐射性能非常优
秀，所以抗辐射的铁电存储器可以用于
空间探索产品。在军事上可以用于导弹
的制导系统。
而在人们日常的电子消费品，
FRAM应用的空间更为广泛。如智能卡、
数码相机、手机等，这些产品都需要速
度快，功耗低的非挥发存储器。而一些
无线上网产品，如新一代的笔记本电脑
和手机等，将需要大容量（Mb量级）
的非挥发存储器来存储网页，包括压缩
的视频、音频数据，而在速度和能量都
占优势FRAM比Flash和EEPROM更容
易被嵌入，这预示着FRAM将在这一领
域潜在的重要作用。
2024年4月25日发(作者：迮昕昕)
铁电存储电路的发展与单元模型简介
摘要：非挥发性内存目前已广泛应用于存储卡和数码录音机等小型记录介质中。其特点是即便
关闭电源，保存的数据也不会丢失。目前使用最广泛的非挥发性内存是闪存。不过，闪存的缺
点是写入速度慢，可擦写次数有限。为了克服这些缺点，通过对保存数据的元件进行改进，目
前已开发出一种新的非挥发性内存。它的记录元件采用强介电体的FeRAM（ferroelectric RAM）。
由于其低工作电压、低功耗、快的读写速度、重复读写次数多、保存信息长、抗辐照等优点，
被认为是未来最有希望的存储器件之一，在国际上引起了广泛的研究兴趣并且已经有成品问世。
尤其是最近几年来，FeRAM内存的专利件数急速成长，研发态势非常强烈。全球许多大公司如
Ramtron，富士通,Hynix,英飞凌科技，东芝，松下都在FeRAM加大投入力度，展开激烈的竞争与
合作。在这篇文章中，粗略地介绍了铁电存储器的发展历程和应用领域，主要介绍了铁电存储
器研究领域中的单元建模问题，虽然我们知道铁电存储器目前的主要问题是介观尺度下的铁电
材料所能表现出来的铁电特性已不是很明显，但作为回顾这种存储器的发展，介绍在三四年以
前就做得非常成熟了单元模型一些理论，还是比较有意义的。
关键词：发展，铁电存储器，非挥发存储，电路设计，模型，存储单元
Development, FeRAM, non-volatile memory, circuit design, model, memory cell
介绍
在过去的这三四十年里，无论是PC
机还是其他电子产品，浮栅存储器一直
是非挥发存储的主流。可是最近几年来，
铁电存储器在业界已经引起了越来越多
的研发人员的注意。例如，截至2000
年，美国专利局已经通过了300多项专
利，而且这种增加的趋势日益明显。形
成这种状况的驱动力主要有两点：铁电
存储的快速访问时间和低功耗，而这两
点对于现阶段大规模走向市场的无线电
子卡片和数码相机来说是至关重要的
[26]。
这篇文章分为两个部分。第一部分
阐述了铁电存储电路的发展背景，主要
探讨了铁电存储器的发展历程和趋势以
及其应用领域。第二部分主要是介绍一
些关于铁电存储单元建模的一些现有的
理论和模型。
第一部分：铁电存储电路的发展状况
I．从铁电存储电路的出现到广泛应用
自从1921年发现铁电性以来，对于
许多科学家和工程师而言，铁电的两个
稳定的计划状态+P和-P显然是可以用
来编制布尔代数中的0和1。这就可以
形成现代计算机中存储和逻辑电路的基
础。然而对铁电材料的铁电性的应用知
道最近些年才发展起来。
早在上世纪50年代人们就发现了
铁电材料的特性并开始了关于铁电存储
器的研究[1]。但是在之后的三十年间并
没有实质性的进展，主要原因有两个，
一是因为很难找到一个与传统硅半导体
工艺匹配而又性能稳定的铁电材料；二
是铁电薄膜的制备工艺还不成熟，薄膜
厚度降不下来（100µm左右），所以开关
电压降不下来（100V左右）[2]。
直到上世纪80年代末90年代初，
随着制备工艺的发展和性质优良的铁电
材料的发现使得铁电存储器的研究豁然
开朗。首先，相继发现了PZT（锆钛酸
铅）和SBT（钽铋酸锶）等材料，其次，
薄膜制备工艺的改进使得这些铁电材料
薄膜在几十纳米厚度还保持铁电性。
1988年，基于PZT材料的1T1C结构的
铁电存储器的研究结果首先被发表[3]，
虽然其规模只有象征性地256b，且存储
单元面积只有50µm
2
，但5V的工作电
压和100ns的工作速度已经显示出它的
优越的性能和巨大的应用潜力。之后，
陆续发表了很多基于PZT或SBT存储器
的研究结果[4]-[14][20]，铁电存储器技
术显示了其进入市场的条件。
与此同时，随着科技的发展，市场
上各种新型数码、便携式和无线产品，
譬如移动电话，PDA，手提电脑，MP3
随身听，数码相机等等的不断涌现，对
非挥发性存储器产品及性能有了越来越
大多的需求。非挥发性保证在不工作情
况下数据可以长时间被保存（长达数
年），这对于大多数的电子系统非常重
要，譬如说手机中的短信和电话号码在
关机状态下仍然不会丢失。新产品的巨
大市场一方面导致非挥发性存储器在市
场上的占有率越来越高[14]，另一方面
导致了对高性能的非挥发性存储器的需
求日益增加。目前这些产品大多数采用
Flash或EEPROM来存储数据，然而，
它们在与非挥发性同样重要的可编程性
上存在自身的缺点：1）写速度慢（~1µs）。
2）可重复编程/擦除次数（耐写次数）
相对较少，只有百万次左右。3）由于工
作原理限制，Flash和EEPROM需要较
高的电压才能完成编程和擦除工作，较
高的电压由外部提供或是内部电荷泵产
生，这使得Flash和EEPROM无论在功
耗方面还是电路复杂方面都存在一些问
题。因此，Flash和EEPROM已逐渐不
能满足现代科技的需求，而FRAM应用
其独特的优点使得其成为Flash和
EEPROM最有希望的替代品之一。
市场的需要和优良的性能使得铁电
存储器作为一个被广泛看好的未来存储
器，得到了各科研单位和公司前所未有
的关注，关于FRAM的文章，专利和产
品不断。在科研领域，专门围绕FRAM
的制备和应用的国际会议“集成铁电年
会”（ISIF）从1989年开始每年一次，
在每年的ISSCC和IEDM等重要地国际
会议上都有相关文章发表。在市场上，
从1988美国的Ramtron公司第一个成功
制备以PZT作为铁电薄膜的FRAM以后
[15]，以美国、日本为主的众多半导体
公司都围绕FRAM展开了激烈的技术竞
争，以取得在未来存储器及整个微电子
技术领域的优势。
近二十年来，FRAM发展得很快，
其各方面性能在不断提高。从最开始的
256b规模，5V工作电压，4µm工艺，
100ns工作速度，10
9
耐写次数 [3]；到
几Mb规模，3V左右工作电压、0.5µm
左右工艺，80ns工作速度，10
12
耐写次
数（这也是现今普遍的FRAM产品的性
能）[8]-[10][12]；2002年11月，美国的
Texas Instruments（TI）公司宣布他们已
经采用五层金属布线、铜互连、0.13µm
的工艺生产出64M的FRAM，其读写周
期35ns，采用堆栈式结构，单元面积
0.54µm
2
，工作电压1.3V [20]。2004年6
月15日德国英飞凌科技与东芝在美国
檀香山开幕的半导体制造技术国际会议
上公布了采用立体结构电容器的存储单
元以及存储阵列结构“Chain FeRAM”
的试产结果，这将意味着比现有的
FeRAM更容易提高设计工艺。
铁电存储器的应用前景非常广泛，
上至空间领域下至便携的电子产品，
FRAM都可以作为替代Flash和
EEPROM的新一代非挥发性存储器得
以应用。图1是FRAM应用的领域[2]。
由于铁电材料抗辐射性能非常优
秀，所以抗辐射的铁电存储器可以用于
空间探索产品。在军事上可以用于导弹
的制导系统。
而在人们日常的电子消费品，
FRAM应用的空间更为广泛。如智能卡、
数码相机、手机等，这些产品都需要速
度快，功耗低的非挥发存储器。而一些
无线上网产品，如新一代的笔记本电脑
和手机等，将需要大容量（Mb量级）
的非挥发存储器来存储网页，包括压缩
的视频、音频数据，而在速度和能量都
占优势FRAM比Flash和EEPROM更容
易被嵌入，这预示着FRAM将在这一领
域潜在的重要作用。