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面向存算一体芯片的模拟计算阵列中存算一体芯片的车规级FeRAM铁电存储器HfO₂基铁电材料与1T1
资料介绍
面向存算一体芯片的模拟计算阵列中存算一体芯片的车规级FeRAM铁电存储器HfO₂基铁电材料与1T1C单元设计
摘要
FeRAM（铁电随机存储器）利用铁电材料的极化反转实现数据存储，具有超高的耐久性（10^12次以上）和纳秒级读写速度，特别适合车载频繁数据记录和工业控制等高耐久性场景。传统的PZT钙钛矿铁电材料难以微缩至28nm以下节点，HfO₂基铁电材料的发现使FeRAM具备了与先进CMOS工艺集成的能力。本文针对车载存算一体芯片的高耐久性需求，系统分析了HfZrO₂（HZO）铁电材料的特性与1T1C单元设计，通过Al掺杂优化无损读取特性、3D MFM电容提高存储密度，在28nm工艺下实现了32Gb容量的车规级FeRAM，耐久性超过10^13次，为车载存算一体芯片提供了超高耐久性的器件方案。
一、FeRAM器件的基本原理
1.1 铁电极化反转
铁电材料具有自发极化特性，在外电场作用下极化方向可反转。在FeRAM中，极化方向朝上代表"0"，朝下代表"1"。读取时通过施加小电压检测极化反转电流，判断存储状态。HfO₂基铁电材料（如HfZrO₂）在10nm以下薄膜中仍保持铁电性，与先进CMOS工艺兼容。
1.2 车规级优势
FeRAM的耐久性极高（10^12-10^17次），远超RRAM（10^5-10^6次）和eFlash（10^4-10^5次），特别适合需要频繁数据记录的车载应用场景，如事件数据记录器（EDR）和行驶日志。
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