INTRODUZIONE. materiale sono l alta permittività e la bistabilità. L alta permittività

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1 INTRODUZIONE Un condensatore ferroelettrico si differenzia da un normale condensatore per il tipo di dielettrico, in quanto si utilizza un film di materiale ferroelettrico. Due importanti caratteristiche di questo tipo di materiale sono l alta permittività e la bistabilità. L alta permittività implica grandi capacità per unità di area del film ferroelettrico rispetto ai normali dielettrici. Questa caratteristica è sfruttata per la progettazione di memorie DRAM ad alta densità e nei circuiti analogici che richiedono condensatori con grande capacità sul chip. La bistabilità si riferisce alla capacità del materiale di mantenere spontaneamente due differenti stati stabili di polarizzazione e può quindi essere utilizzato nella realizzazione di memorie non volatili note con il nome di FRAM. Una FRAM è più veloce in fase di scrittura del dato. Infatti, in una FRAM, il tempo di scrittura, che è uguale al tempo di lettura, è di circa 100nsec, contro tempi dell ordine dei millisecondi per le FLASH. Il 1

2 numero di cicli di scrittura che è possibile effettuare in una FRAM prima che si verifichi un errore nel riconoscimento del dato è maggiore di 12 10, mentre per una memoria FLASH si aggira intorno a 5 10 cicli. Un ulteriore vantaggio deriva dall utilizzo, nelle FRAM, di basse tensioni di alimentazione, da 2 a 5 olt. Ricordiamo invece che sia nelle FLASH che negli altri tipi di memorie non volatili, è necessario generare in fase di scrittura elevate tensioni interne, da 9 a 15 olt. Oltre ad avere un elevata velocità di accesso in scrittura, le FRAM hanno una dissipazione di potenza inferiore alle altre memorie non volatili, caratteristiche che rendono le FRAM particolarmente idonee per applicazioni a radio frequenza, quali smartcard contactless. Di contro, le memorie FLASH potendo contare su un processo d integrazione consolidato, hanno densità superiori. Per completezza, nella Tabella I di seguito sono riportate le principali caratteristiche di quattro diversi tipi di memorie, FRAM, EEPROM, FLASH e SRAM. 2

3 Tabella I FRAM 0.35 µm EEPROM 0.35 µm FLASH 0.18 µm SRAM 0.18 µm TIPO DI MEMORIA NON OLATILE NON OLATILE NON OLATILE OLATILE DIMENSIONE DELLA CELLA RITENZIONE DEL DATO TENSIONE INTERNA DI SCRITTURA TEMPO DI ACCESSO (ns) CICLO DI SCRITTURA WRITE ENERGY PER BIT (J) WRITE ENDURANCE READ ENDURANCE < 10µm 2 < 10µm 2 1 µm 2 10 µm 2 10 ANNI 10 ANNI 10 ANNI / < t < < t < < t < ns 1 a 10 ms 1ms con erase < 100 ns 0.01 n 1 a 10 n 100 n < 0.01 n >

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5 CENNI SUI MATERIALI FERROELETTRICI Una memoria non volatile è un dispositivo che immagazzinato il dato lo mantiene senza l apporto di un alimentazione esterna. Un condensatore che utilizza come dielettrico un film di materiale ferroelettrico, quale il PZT ( Pb Zrx Ti 1 x O3) o l SBT ( Sb Bi2 Ta2 O9 ), soddisfa questo requisito grazie a quello che in letteratura viene chiamato effetto ferroelettrico, che è la capacità del materiale di mantenere uno stato di polarizzazione in assenza di campo elettrico applicato. La struttura cristallina di un materiale ferroelettrico, quale il PZT, è composta per la maggior parte da celle unitarie note con il nome Perovskite. L atomo di Ti/Zr può trovarsi in una delle due posizioni illustrate in Figura 1-1. Nel materiale neutro, il numero di atomi di Ti/Zr che si trovano in una delle due posizioni, è uguale al numero di atomi che si trovano nella posizione opposta. Pertanto il momento di dipolo risultante è nullo. 5

6 Pb Oxigen Ti / Zr Figura 1-1 Cella unitaria di Perovskite Sotto l azione di un campo elettrico con verso positivo, gli atomi di Ti/Zr si allineano lungo la direzione del campo applicato, Figura 1-2a, generando quella che da qui in avanti si chiamerà polarizzazione o allineamento del dipolo. L effetto di polarizzazione è stabile, in quanto l atomo di cui sopra, resta nella nuova posizione anche dopo che il campo elettrico viene rimosso, Figura 1-2b. Campo Elettrico Positivo Polarizzazione Positiva Figura 1-2a Figura 1-2b 6

7 Applicando un campo elettrico in direzione opposta (negativo), è possibile invertire il verso della polarizzazione, Figura 1-2c. Come nel caso precedente, l effetto di polarizzazione permane anche dopo la rimozione del campo elettrico, Figura 1-2d. Campo Elettrico Negativo Polarizzazione Negativa Figura 1-2c Figura 1-2d Il valore minimo di campo elettrico che bisogna applicare affinché si verifichi la polarizzazione dei dipoli è noto con il nome di campo elettrico coercitivo, e si indica con E c. Mentre il valore per cui almeno il 90% dei dipoli risulta polarizzato si indica con E 90. La temperatura al di sotto della quale si manifesta l effetto ferroelettrico è chiamata Temperatura di Curie. Al di sopra di tale temperatura, i materiali ferroelettrici presentano invece un alta 7

8 ε permettività relativa del dielettrico, 100, che permette di ottenere, a parità di capacità, condensatori DRAM più piccoli. r Utilizzando una tecnologia planare, è possibile realizzare un condensatore ferroelettrico, depositando fra i due elettrodi un film di materiale ferroelettrico. In Figura 1-3 e 1-4 sono illustrate due diverse modalità di realizzazione dei condensatori. In quella che fa riferimento alla Figura 1-3, che necessita di una o al massimo due maschere, l elettrodo inferiore è condiviso da tutti i condensatori presenti sulla fetta, mentre nell altra modalità, Figura 1-4, è condiviso solo da alcuni con conseguente diminuzione di eventuali accoppiamenti capacitivi. In quest ultimo caso, che necessita di due o tre maschere, parleremo di condensatore patternato. La tensione applicata ai capi di condensatore ferroelettrico è legata al campo elettrico dalla seguente relazione: = E δ (1-1) dove con δ si è indicato lo spessore del film ferroelettrico, i cui valori tipici vanno da 120nm a 240nm. 8

9 Elettrodo superiore (TOP) Film ferroelettrico Elettrodo inferiore (BOTTOM) Substrato Figura 1-3 Non patternato Elettrodo superiore (TOP) Film ferroelettrico Elettrodo inferiore (BOTTOM) Substrato Figura 1-4 Patternato 9

10 In un condensatore ferroelettrico, la polarizzazione dei dipoli, si traduce in una carica di polarizzazione (Q), il cui andamento in funzione della tensione applicata () ai suoi capi, descrive un ciclo d isteresi, Figura 1-5. Q + - C f e c a p Q s Q r. - s.. - c c s. -Q r -Q s Figura 1-5 Ciclo d isteresi. Applicando una tensione positiva s più grande della tensione 90, il film ferroelettrico si polarizza nella direzione positiva, fino al valore limite Q s, detta carica di polarizzazione di saturazione. Eliminando la 10

11 tensione applicata, il valore della carica di polarizzazione diminuisce fino al valore Q r, detta carica di polarizzazione residua. Questa diminuzione, è da imputare alla carica lineare presente, anche se in minima parte nella struttura cristallina. Applicando una tensione negativa, di valore inferiore alla 90, il film ferroelettrico si polarizza lungo la direzione negativa, fino al valore Qs. Anche in questo caso, la rimozione della tensione applicata, determina una diminuzione della carica di polarizzazione, fino al valore Qr. Pertanto, come evidenziato in Figura 1-5, il ciclo d isteresi risulta simmetrico rispetto ai due assi di riferimento. Dati sperimentali mostrano, Figura 1-6, che negli istanti immediatamente successivi alla rimozione della tensione applicata, si ha un ulteriore, simmetrica diminuzione della carica di polarizzazione da Q r a Q rnv, dovuta al rilassamento di una parte dei dipoli. Questo fenomeno è noto con il nome di Relaxation, e la carica Q rnv è detta carica di polarizzazione residua non volatile. Pertanto, il condensatore ferroelettrico possiede due stati stabili di polarizzazione a tensione nulla, a cui è possibile associare, arbitrariamente, un valore logico. In questa sede assumeremo che al 11

12 valore di carica di polarizzazione Q rnv, sia associato il dato logico 0, mentre al valore di carica di polarizzazione Qrnv, il dato logico 1. É quindi evidente che, l associazione di un valore logico ad uno stato di polarizzazione è una convenzione. Q + - C f e c a p Q R e l a x Q s Q r. dq ( 0 ) Q r n v - s dq ( 1 ) - c c s Q R e l a x -Q r n v. -Q r 2Q r n v -Q s Figura 1-6 Per effettuare un operazione di lettura del dato immagazzinato, si deve applicare, ai capi del condensatore, una tensione positiva, secondo la convenzione assunta in Figura 1-6, maggiore della tensione coercitiva c. 12

13 Se il dato immagazzinato è uno 0, si ha una piccola variazione della carica di polarizzazione, pari a dq ( 0), relazione (1-2), se invece il dato immagazzinato è un 1, si ha una grande variazione della carica di polarizzazione, pari a dq ( 1), relazione (1-3). dq 0 = Q s Q (1-2) ( ) rnv dq 1 = Q s + Q (1-3) ( ) rnv isto e considerato che la tensione da applicare ai capi del condensatore ferroelettrico, durante l operazione di lettura, è sempre positiva, indipendentemente dal dato immagazzinato, è ovvio che qualora il dato sia un 1, l operazione di lettura risulta distruttiva, pertanto deve essere seguita da una operazione di riscrittura del dato. A tal fine bisogna applicare una tensione negativa per riportare il condensatore allo stato di polarizzazione iniziale. 13

14 Per quanto detto, un materiale ferroelettrico e quindi un condensatore ferroelettrico è caratterizzato da 3 parametri: Campo elettrico coercitivo, Carica di polarizzazione, Q (C) E C (/m) Campo elettrico al 90%, E 90 (/m) Tali parametri dipendono fondamentalmente dal tipo di materiale ferroelettrico (PZT, SBT, o altro), utilizzato per realizzare il condensatore, ma possono variare a causa di altri fattori quali: tipo di elettrodi (Platino o altro), tipo di deposizione, effetti di bordo o eventuali fenomeni di ossidazione sulle interfacce fra il film ferroelettrico e gli elettrodi. L affidabilità è definita come il numero di cicli di lettura e/o scrittura che possono essere eseguiti, prima che il valore di Q rnv diminuisca al punto di non poter discernere il dato 0 dal dato 1, mentre la ritenzione è la capacità del dispositivo di memoria di mantenere immagazzinato il dato, nel tempo, senza il supporto di un alimentazione interna. 14

15 Il condensatore ferroelettrico deve presentare buone caratteristiche di affidabilità (endurance) e di ritenzione (retention), alto breakdown del dielettrico, una temperatura di Curie superiore alla massima temperatura di esercizio, un valore di µ C 5 cm 2 Prnv di almeno 2, velocità di inversione della polarizzazione dell ordine delle decine di nanosecondi, buona compatibilità con i processi d integrazione esistenti (le proprietà dei materiali non devono essere alterate dai vari step d integrazione) e basse tensioni, che equivale a dire che la 90 deve risultare inferiore a 5 olt. 15

16 LA CELLA DI MEMORIA FRAM In una memoria, i bit d informazione sono memorizzati in celle organizzate secondo una struttura a matrice: l intersezione di una riga e di una colonna della matrice individua una cella. La cella di una memoria FRAM può essere costituita da un transistore e da un condensatore ferroelettrico (cella 1T/1C) oppure da due transistori e due condensatori ferroelettrici (cella 2T/2C). 2.1 CELLA 2T/2C Lo schema di una cella 2T/2C è mostrato in Figura 2-1. PL C_fecapT C_fecapC Word Line (WL) Bit Line () WL M1 M2 Plate Line (PL) SENSE AMPLIFIER C_T T C C_C Figura 2-1 Cella 2T/2C 16

17 Le due celle, dopo ogni operazione di lettura/scrittura sono sempre in stati opposti: supponiamo che C fecapt sia nello stato down, e che C fecapc sia nello stato up. Analizziamo un ciclo di lettura, il cui diagramma temporale è riportato in Figura 2-2, tenendo presente che la tensione ai capi del condensatore ferroelettrico è definita come segue: fecap = (2-1) PL (1) (2) (3) (4) (5) T C PLATE FCAP_T FCAP_C Figura 2-2 Diagramma temporale del ciclo di lettura 17

18 1) viene abilitata la WL 2) la PL è portata alla tensione di alimentazione, DD, mentre entrambe le bit line sono a 0, pertanto la tensione ai capi dei due condensatori ferroelettrici è positiva, ma flottante. Il condensatore che si trova nello stato down commuta nello stato di polarizzazione opposto con conseguente trasferimento di una grande quantità di carica, dq (1), sulla T. Dal condensatore che permane nello stato up si ha invece lo spostamento di una piccola quantità di carica, dq (0), sulla C. Essendo dq ( 0) < dq(1), la tensione della T, relazione (2-2), sarà maggiore di quella della C, relazione (2-3). T dq(1) = (2-2) C T C dq(0) = (2-3) C C 3) il sense amplifier porta a DD la il cui livello di tensione è maggiore, e a 0 l altra. A questo punto il dato memorizzato può 18

19 essere letto. Entrambi i condensatori però si trovano nello stesso stato di polarizzazione ( stato up ), occorre pertanto effettuare una operazione di riscrittura (o restore ) dello stato down 4) il sense amplifier viene mantenuto on (acceso) in modo da garantire che la T a DD, rimanga a tale valore, mentre la PL è portata a 0. In tal modo la tensione fecapt = sarà PL T negativa con conseguente riscrittura dello stato down. Da quanto detto, si deduce che l operazione di riconoscimento del dato viene effettuata dal sense amplifier. Se indichiamo con SA la sua soglia di sensibilità, per riconoscere il dato occorre soddisfare la seguente relazione: SA < (2-4) T C che in termini di carica di polarizzazione diventa: SA dq(1) dq(0) < (2-5) C C T C 19

20 Supponendo la C T uguale alla C C si ha: SA dq 1) dq(0) < (2-6) C ( In questa trattazione si è supposto che il valore di C fosse molto maggiore della capacità lineare del condensatore ferroelettrico, in modo che tutta la DD applicata alla plate, cada ai capi del condensatore ferroelettrico. Tale condizione è necessaria per assicurare il completo switching dei dipoli e quindi rendere massima la carica Q SW che si riversa sulla T. In altri termini, stiamo supponendo che lo stato di carica di polarizzazione del condensatore ferroelettrico, durante l accesso in lettura, si sposti lungo il ciclo d isteresi ottenuto applicando una tensione variabile da DD a DD. 20

21 2.2 CELLA 1T/1C Uno schema della cella 1T/1C è riportato in Figura 2-3. PL DD C_fecap SP M1 WL M7 M2 M3 _ref C_ M4 M5 C_ref = C_ SN M6 Figura 2-3 Cella 1T/1C La lettura avviene secondo la stessa modalità della cella 2T/2C. Il sense amplifier in tal caso confronta la tensione della, il cui livello dipende dallo stato di polarizzazione del condensatore ferroelettrico, con una tensione di riferimento ref, opportunamente generata. Se la risulta maggiore della ref, il sense la porta a DD, viceversa la porta a 0. Anche in questo caso, è necessario, per il corretto riconoscimento del dato, che sia soddisfatta la relazione: SA < (2-7) ref 21

22 Tenendo presente che la dipende dal dato immagazzinato nel condensatore ferroelettrico, per esprimere la relazione (2-7) in funzione della carica di polarizzazione si devono differenziare i due casi, corrispondenti ai due dati logici. Se il condensatore ferroelettrico è nello stato down, dato logico 1, si ha: dq(1) = (2-8) C E la relazione (2-7) diventa: SA < dq C (1) ref (2-9) Invece, se il condensatore ferroelettrico è nello stato up, dato logico 0, si ha: dq(0) = (2-10) C E la relazione (2-7) diventa: SA dq(0) < ref (2-11) C 22

23 2.3 TENSIONE DI RIFERIMENTO Come già accennato precedentemente, in una memoria FRAM con cella 1T/1C è necessario determinare una tensione di riferimento stabile da utilizzare nella fase di sensing. Schematizziamo diverse modalità utilizzate per ottenere la REF. Cella di riferimento ferroelettrica La cella di riferimento, Figura 2-3, è uguale alla cella di memoria il ché facilita l implementazione. Nell intervallo di tempo in cui viene inviato un impulso alla plate line, le due bit lines di riferimento sono cortocircuitate. Una è connessa ad un condensatore ferroelettrico di riferimento che commuta, l altra ad uno che non commuta. Il corto circuito è poi rilasciato per il sensing. In tal modo si ottiene una tensione di riferimento pari alla media aritmetica delle tensioni delle due bit lines di riferimento. La cella di riferimento presenta la stessa dipendenza dalla tensione di alimentazione della cella di memoria ed è soggetta alle variazioni di polarizzazione del condensatore ferroelettrico chip to chip. 23

24 Inoltre, essa risente degli effetti della fatigue (vedi capitolo successivo) in misura maggiore rispetto alla cella di memoria, perché per costruzione ad essa si accede più frequentemente, un numero di volte pari al numero di accessi per il numero di WL. WL FCAP PLATE SENSE AMPLIFIER WL_REF PLATE_REF <n> <n+1> Figura 2-3 Cella di riferimento 24

25 Cella di riferimento indipendente dalla relaxation La cella ferroelettrica di riferimento non percorre tutto il ciclo di isteresi ma alla fine di ogni ciclo ad essa è applicata una tensione, pari alla tensione coercitiva, in modo tale da portarla ad un punto a Q = 0 r. La ref prodotta risulterà indipendente dalla componente di relaxation. Tuttavia, tale modalità è difficile da implementare a causa di variazioni della tensione coercitiva, ad esempio al variare della temperatura. Inoltre, essa richiede la generazione della stessa tensione coercitiva. Cella di riferimento immune alla fatigue Il condensatore ferroelettrico della cella di riferimento non commuta mai ed è dimensionato in modo tale da comportare lo spostamento di una quantità di carica intermedia tra quella che interviene durante una commutazione e quella che entra in gioco in una cella che non commuta. E ovvio che la cella di riferimento non sarà soggetta a problemi di fatigue. E richiesto però un accurato dimensionamento. 25

26 Cella di riferimento con condensatore CMOS Con tale riferimento è possibile ottenere una tensione variabile indipendente dalla temperatura. Si evita in tal modo una riduzione di segnale sulla bit line che può risultare dannosa ai fini del sensing. La ref può essere modificata variando la dimensione del condensatore in fase di progetto variando la tensione applicata alla sua plate, programmata in fase di test Il pregio principale di questo riferimento è di essere immune da imprint (vedi capitolo successivo) e fatigue. 26

27 Nella tabella di seguito sono riportati vantaggi e svantaggi dei due tipi di cella FRAM. 1T/1C 2T/2C ANTAGGI SANTAGGI ANTAGGI SANTAGGI Minore occupazione di area Problemi nel determinare una tensione di riferimento stabile Maggiore immunità alle tolleranze di processo Maggiore occupazione di area Minore dissipazione di potenza Comportamento non prevedibile: non è possibile prevedere quante celle commuteranno ad ogni ciclo Comportamento prevedibile: in ogni cella sicuramente un condensatore ferroelettrico commuta Maggiore dissipazione di potenza Minore ampiezza di segnale tra la Bit line e la tensione di riferimento Ampiezza di segnale massima Maggiore sensitività al rumore Robustezza intrinseca: maggiore rapporto segnale/ rumore 27