FeRAM采用的PZT特性

我公司FeRAM产品采用锆钛酸铅（PZT）作为存储信息的材料。PZT是一种在普通半导体制造过程中较难处理的材料，因此长期以来一直难以应用于FeRAM。我公司开发出将PZT集成到半导体产品中的技术，并于1999年率先实现了FeRAM的量产。

什么是PZT

FeRAM（ferroelectric random access memory）采用锆钛酸铅（PZT）作为存储数据0和1的材料。PZT晶体结构的最小单元（晶胞）结构如下。

锆钛酸铅（Pb(Zr1-x,Ti x)O3, PZT）是一种铁电体（Ferroelectric），最早于1950年前后由东京工业大学的白根教授发现。 

什么是强诱电体（Ferroelectric）？

强诱电体（Ferroelectric）是一类特殊的电介质，除了具有电介质的性质外，还具备压电性和热电性。这些性质之间的关系如下图所示。

如简单描述每种材料的特征，可总结如下（a）～（d）：

(a)电介质（dielectric）

这是一种不导电但在电场作用下可存储内部电荷的物质。这种物质常被应用于电容器等电子元件中，用来存储电能。

(b)压电体（piezoelectric crystal）

一种受到物理压力时会产生电荷，反之，当被施加电压时会发生形状改变的物质。它被广泛应用于传感器和驱动器等设备。驱动器是指将动力源与机械部件结合来实现机械运作的装置，例如电动机就是一种驱动器。

(c)热释电体（Pyroelectrics）

一种当温度发生变化时会产生电荷的物质，这种物质通常具有一定的自发极化，常用于红外传感器等设备。

(d)强诱电体（Ferroelectric）

一种当施加电场时会产生极化，且去除电场后极化状态仍能保持的物质。它被广泛应用于存储器元件和传感器等。FeRAM正是利用这一特性来保存数据。

强诱电体具有（a）～（d）多种特性，但需对这些特性进行全面控制。

如将电介质薄膜夹在两个电极之间施加电压，并测量电介质的极化量，可得到如下左图所示图表。而如将电介质薄膜换成强诱电体薄膜，则会得到如下右图所示图表。极化量会随过往电场而变化，这种现象被称为磁滞曲线。当电极电压为零时，极化量仍会保持正或负的值，这些值可分别存储“1”或“0”的数据。

磁滞现象（Hysteresis）是指一个系统的状态不仅依赖于当前施力，还会受到过往施力的影响，因此也被称为历史现象或历史效应。

人们曾期待利用这种磁滞特性开发出一种能替代DRAM的下一代存储器。尽管理论上可行，但实现上却困难重重。

强诱电体以及强诱电体的发展历史

强诱电体以及强诱电体存储器的发展历史如下：
采用锆钛酸铅（PZT）材料的强诱电体存储器的原型于20世纪80年代在美国首次发布。然而，由于PZT材料在传统半导体制造过程中较难处理，FeRAM的量产一直未能实现。我公司成功研发了一种将PZT材料集成到半导体制造过程的技术，并于1999年率先实现了FeRAM的量产。

• Valasek发现了罗谢尔盐（Rochelle salt）的强诱电体性。
  Valasek, J., 1920. Piezoelectric and allied phenomena in Rochelle salt. Phys. Rev., 17, pp.475–481. DOI:10.1103/PhysRev.17.475.

• 1954年前后，人们发现PZT是一种强诱电体。
  全世界开始关注PZT的特性并开始研究其应用。PZT为锆酸铅(PbZrO3)与钛酸铅(PbTiO3)的混合晶体，当锆(Zr)和钛(Ti)的比例为0.52比0.48时，其压电陶瓷特性达到最大，因此此类成分的PZT得到了广泛应用。当时，人们并未考虑将其应用于存储器元件。

• 1988年前后，美国的Krysalis公司（当时）和Ramtron公司（当时）宣布将PZT应用于存储器设备。
  PZT的居里点(*)高达350℃，在室温下具有足够强的铁电性，这表明它可被应用于铁电非易失性存储器。因此，1980年代至1990年代期间开发的铁电非易失性存储器大多采用了PZT材料。然而，尽管研发不断推进，但量产稳定性仍存在问题，各公司都还处于反复尝试与探索阶段。
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  (*) 居里点是指材料失去铁电性，转变为普通电介质的临界温度。超过这个温度，PZT的晶体结构会发生变化，失去压电效应和铁电性。

• 1993年前后，美国的Ramtron公司（当时）成功实现了FeRAM的集成。
  随后，包括我公司在内的国内外厂商开始推进FeRAM量产技术的研发，针对PZT的基础特性、FeRAM的生产工艺进行了广泛的学术交流和知识积累。经过这一过程，FeRAM量产中的一些关键技术得以确立，包括：①通过优化PZT薄膜及上下电极的形成来稳定形成强诱电电容元件，②强诱电体电容元件的加工技术，以及③将铁电电容元件嵌入现有半导体结构的技术。这些技术的建立为稳定量产打开了大门。

• 1999年10月，富士通开始量产64kb大容量FeRAM
  此后，我公司开始持续向全球提供高可靠性的FeRAM产品，并拥有全球最长时间的FeRAM产品出货和售后支持记录。。