复旦大学联合华润微发布3D沟槽型FeRAM成果

复旦大学微电子学院团队与华润微电子公司合作，在近日于美国旧金山举办的IEDM 2024会议上发表了在FeRAM领域最新的研究进展“3D trench Hf_0.5Zr_0.5O₂-based 32Kbit 1T1C FeRAM Chip with 2/5ns Write/Read speed, Low power consumption (0.605pJ/bit) and Prominent High-temperature Reliability (baking@175℃)”，通过使用3D沟槽型电容结构，在较小的平面面积内成功实现了优异的FeRAM铁电存储器性能，包括超快的读写速度(2ns/5ns), 超低功耗(0.605pJ/bit)以及175℃下超过10年的数据保持能力，这一发现将有利于铪基铁电存储器在未来高密度存算一体系统中的应用。课题组博士生于佳杰为论文第一作者。

近年来，随着大数据和AI技术的发展，将存储和计算分离的传统冯·诺伊曼架构导致了存储墙问题，且自2000年以来，处理器速度和存储器带宽以及数据传输速度之间的差距不断扩大，使得存储墙问题日益严重。存算一体架构被认为是解决冯·诺伊曼架构的功耗和瓶颈问题的一个重要方向，在此基础上，需要新型的非易失性存储设备来满足对高带宽存储器的需求。与其他类型的非易失性存储器件相比，铪基铁电存储器具有更高的速度、更低的功耗和良好的数据保持特性等优点。然而，FeRAM由于其对电容的性能要求而要求更大的器件面积，这与先进工艺节点器件面积的微缩趋势相反，因此FeRAM现在仍然面临着巨大的面积微缩挑战。

基于上述问题，研究开发了一种3D沟槽型铁电存储器件。图1显示了器件制造工艺。在生长晶体管之后和沉积金属1之前，结合W通孔工艺制造了3D沟槽器件。器件结构如TEM结果所示，平面直径为0.3µm，这意味着非常小的平面面积。器件结构从上到下由TiN/HZO/TiN/W组成，更高分辨率图片显示了器件表现出良好的分层结构以及铪基铁电薄膜的结晶度。

与2D型铁电电容器相比，3D沟槽型器件表现出更低的矫顽电场和更高的剩余极化强度，也就意味着较低的工作电压(1.8V)，这可能来源于3D沟槽型器件引入的额外应力的作用，并且器件表现出很好的晶圆级均匀特性（>32μC/cm²）。同时我们设计了基于Preisach理论和NLS理论的3D Tench型器件模型，模型在不同电压下和器件测试结果拟合良好。器件可靠性测试显示，器件在高频1.8V下可以表现出很好的疲劳特性（>10¹²）且在175℃下10000s后依然可以拥有85%以上数据的保持特性，数据保持可以延伸到10年。同时我们测试了1T1C型器件结构的窗口快速相应以及对应的疲劳和保持特性，在10ns写入脉冲和1.8V写入电压下，器件的疲劳特性大于10¹²，同时在高温225℃ baking 24小时之后仍然可以维持140mV的测试窗口。此外，结合器件模型我们分析了器件在读取过程中的电流变化情况以及功耗情况发现，在写入脉冲低至5ns之后，器件的功耗可以低至0.605pJ/bit。

基于上述1T1C型铁电存储器件，研究设计了32Kb容量的FeRAM铁电存储器芯片，芯片表现出优异的存储特性，shmoo图显示芯片在1.8V工作电压下最快写入速度为2ns且在2.2V写入电压下最快读取速度为5ns。同时芯片级功能测试验证发现，存储器显示出良好的初始良率96.9%，并且在175℃下烘烤140h后表现出100%的通过率，这说明器件表现出良好的高温可靠性。这项工作将为推动高性能铪基铁电存储芯片发展具有重要参考意义。