1、研究报告 ! 旦： ! Sclence and TechnoIogy Itinovation Heraid 浅谈航天领域中的铁电存储器 赵添 张英杰 任思颖。 (1长春空军航空大学军械系火控教研室 吉林长春 1 30022；2清华大学 北京 1 00084；3吉林长春 1 30000) 摘要：相对于普通民用芯片，航天领域中的集成电路芯片的要求条件更高。介绍了铁电存储器的发展过程，通过介绍铁电存储器的物理 特性与存储机理，从理论上说明了铁电存储器非常适合航天及军事需求，与其他类型的存储器相比具有不可比拟的优势。 关键词：铁电存储器 SO1工艺 铁电材料 中图分类号：V4 文献标识码：A 文章编号
2、：1 674098X(201O)l2(c)一oo1卜o1 自1 970年成功发射东方红l号卫星以 来，经过3O多年的努力，我国已经成为世界 上为数不多可以进行商业卫星发射的国家 之一，尤其是近几年“神舟”系列飞船的成 功发射以及载人航天活动的实现，中国已 经确实的成为了航天技术领域的先进国家 之一，成为了太空领域的有力竞争者。中国 在航天领域取得的成就收到国内外各界的 关注，进一步发展航天领域的关键技术已 经进入战略规划，得到了国家领导人的高 度重视。在这些关键技术当中，应用于航天 领域的电子与微电子技术受到了格外的重 视，这是因为在载人飞行器发射运行以及 回收的过程中，人为干预受到了相当程度
3、 的限制，精密而准确的控制最后都必须通 过电子仪器来完成，而组成这些电子仪器 的重要部件就是各种半导体集成电路芯 片。相比于在地面上，对于使用在宇宙中的 集成电路芯片我们提出的要求就更加苛 刻。直到目前为止，我国的航天飞行器上所 使用的关键芯片仍然需要从国外进口，而 这些进口芯片多为民用芯片，对于航天需 求其性能就有些捉襟见肘。我国卫星发射 史上就出现过多次因为集成电路芯片进入 宇宙后失效而导致发射失败的案例。 1铁电存储器的发展 对于应用在航天领域的集成电路芯 片，有三点要求是要明显强于普通民用芯 片的：(1)强大的抗辐射能力。(2)使用寿命 长。(3)正常工作的温度范围宽。为了满足这 三点
4、要求，SOl工艺制造集成电路并辅助以 加固设计技术成为现在主流技术。而对于 电路系统中的存储器部分(通常完整的电 路系统包括控制器，存储器和执行器)，现 在有不同的解决方法，铁电存储器就是其 中之一。 1920年，法国人Valasek发现了罗息盐特 异的介电特性，由此导致“铁电性”的概念 被提出。之后，随着对铁电材料的不断深入 研究，新型的铁电物质不断被发现，关于铁 电物质的物理理论也越来越完善。1957年， 美国人Anderson提出了铁电存储器的概 念，并获得专利，其存储单元由一个铁电电 容和一个开关晶体管组成。随着工艺水平 的不断提高，铁电电容性质的稳定性有了 一定程度的改善，铁电存储器
5、的发展才迅 速起来。1988年，Ramtron公司首先制造出 商业化的铁电存储器。当时由于稳定性，与 传统工艺兼容性等问题，铁电存储器的集 成度都不高，容量也不大。到了九十年代后 期，随着工艺条件的进一步改善，铁电存储 器的集成度才提高起来。2002年月，TI已 经公布了他们64M容量的铁电存储器。预 计到20l0年，铁电存储器容量可以达到lG。 铁电存储器利用铁电物质的自发极化特性 来存储数据，可以做到掉电后数据不丢失。 目前很多国际上知名的大型微电子公司， 例如Ramtron，Samsung，TI，Infineon等都在 做铁电存储器方面的研究。 2铁电存储器的存储机理 铁电材料是指一类在
6、一定温度范围内 可以自发极化，而且其极化强度能够随着 外电场作用而重新取向的材料。产生自发 极化的原因可以理解为晶格原子的非中心 对称造成了正负电中心的不重合，从而产 生了自发的电偶极子。铁电物质可以看作 是一系列电畴的集合，在每个电畴的内部， 电偶极子方向一致，而不同电畴之间，电偶 极子的方向可能不同。天然形成的铁电材 料中电畴方向随机排列，从而整体不显电 性。如果在铁电材料上施加电压，则可以改 变电畴中电偶极子的方向。在某个特定电 压Vc下，铁电材料的自发极化全部消失，这 个电压称作矫顽电压。如果将电压增加到 某个值V 或是减小到一V m，则所有电畴的 方向均为正向或是负向，这时如果继续增
7、 加电压，由铁电电畴引起的极化不会随电 压的增加而增加，我们称之为极化的饱和。 铁电存储器就是利用铁电材料具有正 负两个方向的极化强度的特点来存储数据 的，我们可以认为在不同方向的极化状态 下铁电材料具有不同的介电系数，从而具 有不同的等效电容，不同的等效电容分别 对应的O的状态和1的状态。 从铁电存储器存储信息的方式可以看 出，铁电存储器利用自身的自发极化电荷 存储数据，而不是像DRAM或是SRAM那样 用寄生电容内存储的可移动电荷来存储信 息，这种存储方式带来了两方面的好处：一 是存储信息在芯片掉电后也可以一直保存 着，即存储信息是非挥发性的；二是利用自 发极化来保存信息不受空间辐射引起的
8、电 荷波动影响，即具有天然的优秀抗辐射能 力。铁电材料工作的温度范围很宽，一般来 说只要不超过铁电材料的居里点就仍然具 有铁电特性，而铁电材料的居里点虽然各 有不同，但普遍都在400600，想要满 足一55125的要求是非常容易的。对于 目前主流的铁电制造工艺来讲，铁电存储 器的擦写次数在l0的l2次方以上，数据保 存时间大于l0年，具有其他种类存储器不 可比的使用寿命。 3总结与展望 综上所述，铁电存储器是一种非常适 合应用在航天及军事领域中的新型存储 器。国内目前已有部分高等院校着手进行 了铁电材料与存储器的研究，然而大部分 研究仍停留在理论研究上，离产业进程还 很远。但是国内各科研机构已
9、渐渐认识到 铁电存储器的发展前景，都在积极的推动 铁电存储器在国内的产业化，航天应用将 会是一个主要的发展方向，相信在不久的 将来，神舟飞船上就将搭载我们自己研发 的铁电存储器。 参考文献 1】Ali Sheikholeslami and PGGulak A Survey of Circuit Innovations in Ferroelectric Random Access Memories Proceedings of the IEEE，Volume 88， Issue 5，May 2000 Page(s)：667-689 2】Kinam Kim and Yoon JSongInte- gration Technology for Ferroelectric Memory DevicesCMicrOelectronics Reliability，V 43，n 3，March，2003：p 385398 3】罗维根，丁爱丽不挥发铁电存储器的 最新发展J】无机材料学报，VOi l1 no11996：3 95 4】朱劲松，吕笑梅，等【译】铁电存储器J JFScott原著北京：清华大学出版社， 2004：l一1O0 科技创新导报Science and TechnologY Innovation Herald 1 1
