3.2.2 Устройства памяти

Использование диэлектрических материалов при создании запоминающих устройств весьма перспективно для создания новых приборов, характеризующихся энергонезависимостью, высоким выходным сигналом, устойчивостью к воздействию перегрузок и радиации. По функциональному назначению эти устройства близки к репрограммируемым полупроводниковым ЗУ (РПЗУ). Одними из первых устройств этого типа были сегнетоэлектрические ЗУ, изготовленные на поликристаллической сегне-токерамике типа цирконата-титаната свинца (PZT - керамика).

Рис. 3.5 – Фрагмент устройства памяти на сегнетоэлектрической PZT – керамике

Запоминающее устройство изготовлялось на основе керамической пластины (2) в форме диска или прямоугольника, фрагмент которого изображен на рис. 3.5. Термическим напылением в вакууме на внешнюю поверхность наносились металлические электроды в форме секторов или прямоугольников (1). С другой стороны наклеивался сплошной электрод из латуни или инвара (3), который служил общим электродом и для пристыкованной снизу еще одной пластины PZT керамики (4) со сплошным электродом (5). Такая слоистая структура из двух типов сегнетоэлектриков с электродами между ними представляет собой твердотельную память на диэлектрике.

Первоначально сегнетоэлектрик имеет остаточную поляризацию, например, отрицательную, при которой вектор остаточной поляризации направлен вниз. Этому состоянию памяти можно приписать хранение во всех разрядах информационных нулей.

Это же состояние можно сформировать путем переполяризации секторов (разрядов) памяти, подавая отрицательный импульс напряжения с помощью коммутаторов (6) и (7).

Программирование запоминающего устройства происходит путем записи двоичной единицы информации в соответствующий разряд памяти (+Р₂). С этой целью туда необходимо подать положительный импульс напряжения соответствующий комбинацией коммутаторов (6) и (8). Амплитуда и длительность положительного импульса определяется процессом локальной переполяризации сегнетокерамики. После снятия напряжения записи заданное направление поляризации сохраняется в силу гистерезисных свойств сегнетокерамики.

Процесс считывания двоичной информации основывается на пьезоэлектрических свойствах сегнетокерамики. Так, если к электродам (3) и (5) сегнетокерамики (4) приложить напряжение с помощью коммутатора (9), то возникнет механическая деформация. Импульс деформации от изгибающего элемента (4) пройдет через сегнетокерамику (2) и индуцирует на секторных электродах заряд, соответствующий ранее записанной двоичной информации. Этот заряд может быть считан как соответствующий ему потенциал с помощью коммутатора (6) и, таким образом, расшифрована ранее записанная информация.

Такая память на изгибающем элементе требует довольно больших входных сигналов (~15 В), способных вызвать значительные механические деформации и соответственно большие значения выходных сигналов (~2 5).

В процессе совершенствования конструкции сегнетокерамику (2) и (4) изготавливают из нескольких их различных составов, с разными значениями коэрцитивной силы, что позволяет оптимизировать соотношения между амплитудами импульсов записи и считывания информации, выбирать резонансный или нерезонансный режим работы.

Такие достаточно надежные и помехоустойчивые устройства могут использоваться для задания времени срабатывания. Описанные ЗУ отличаются простотой в обращении, имеют малую стоимость, простую конструкцию, высокую радиационную стойкость. Со временем эта конструкция стимулировала развитие идеи создания пьезоэлектрической вычислительной среды (ПЭВС) с функциями запоминающих устройств. При этом использовалось два типа динамических неоднородностей - сегнетоэлектрические домены для хранения информации и акустические волны для обработки информации.

Важно отметить, что решается принципиально новая технологическая задача: активная диэлектрическая континуальная среда в виде твердых тел заменяется аналогичной пленочной структурой.

При этом необходимо воспроизвести сегнетоэлектрические свойства в тонких континуальных слоях. Сложность заключается в том, что физическая природа сегнетоэлектричества формируется дальнодействующими силами дипольного происхождения. Радиус действия таких сил определяется корреляционной длиной. В этом случае толщина слоев сегнетоэлектрика должна на порядок превышать корреляционную длину и составлять 100...500 нм. При этом необходимо достаточно точно воспроизвести стехиометрии трех-, четырех- и более компонентного состава. В этих пленках должны быть сохранены физические свойства объемного материала, одновременно уменьшаются управляющие электрические и механические напряжения, оптические и акустические потери, улучшаются другие потребительские свойства.

Вопросы получения промышленных пленок сегнетоэлектриков являются специальной, технологической проблемой, которую следует обсудить отдельно.

Информационным значениям "0" или "1" соответствует разность фаз считываемого сигнала в 2π, что соответствует направлениям поляризации ±Р₂ в отдельных ячейках памяти.

Разработанные пъезокерамические матрицы (ПКМ) функционируют на принципе импульсного или резонансного считывания информации и напоминают конструкцию, рассмотренную на рис. 3.5.

Считывание информации происходит без ее разрушения с тактовой частотой до 1 МГц, определяемой временем переполяризации (-50 мкс). Допускается 10⁶...10⁸ циклов перезаписи информации. Разработанные интегральные ПКМ емкостью более 512 бит с напряжением перезаписи ~4 В, работающие в интервале температур -80...200 °С, выдерживающие ударные нагрузки до 3·10⁴g и отличающиеся высокой радиационной стойкостью.

Следует отметить возможность увеличения на порядок информационной плотности записи информации без увеличения числа ячеек памяти. В основе лежит физический принцип переключения поляризации из состояния -Р₂ в состояние +Р₂. Из-за отсутствия абсолютного порога переключения можно один бит информации, например "1", разложить на амплитудный многоуровневый аналоговый сигнал и воспользоваться законами многозначной логики. Так, в ПКМ достаточно легко обеспечить 20 уровней ±ΔР₂ во всем диапазоне ±Р₂ с разрешением цифро-аналогового преобразования 10^–1 В. Одним из основных требований к сегнетоэлектрическим материалам таких ПКМ является обеспечение коэффициента прямоугольности петли диэлектрического гистерезиса.

0,85≤К_ПР=P₁/P₂<1.

Весьма перспективным материалом для ЗУ являются сегнетоэлектрические пленки на основе нитрата калия (KNO₃). Они отличаются малым временем переключения ~10^–9с, высокой тактовой частотой ~10⁸Гц, малыми геометрическими размерами доменов, позволяющими получить размер ячейки ~20 мкм² и соответственно достичь степени интеграции 10⁸...10¹⁰ бит/см². Емкостные элементы функциональной электроники нашли перспективное применение в устройствах памяти схемотехнической электроники. Известно, что одним из существенных недостатков существующих схем памяти является отсутствие энергозависимости. Существует несколько подходов к созданию энергонезависимых схем памяти.

Лучший результат дает технология осаждения на поверхность схемы памяти тонкой пленки цирконата-титаната свинца (ЦТС, PZT), с помощью которой формируются сегнетоэлектрическяе конденсаторы. Такие конденсаторы соответствующим образом поляризуются и, имея высокое значение диэлектрической проницаемости ( ), обеспечивают определенное состояние ЗУ при частом отключении питания.

Логическая структура сегнетоэлектрическогО запоминающего устройства с произвольной выборкой (ЗУПВ) сходна со структурой шеститран-зисторных тригтерных схем памяти статического типа, каждое из плеч которого через управляющие транзисторы (вентили) соединено с сегнетоэлектрическим конденсатором. В рабочем состоянии эти энергонезависимые элементы отключены управляющими вентилями от статического ЗУ. При выключении питания открываются управляющие вентили. Прежде чем напряжение в цепи станет равным нулю, сегнетоэлектриче-ские конденсаторы подключатся к ячейке памяти и соответствующим образом поляризуются, храня в ячейке информационные "0" или "1". Время для поляризации сегнетоэлектрика конденсатора составляет ~10^–8с, что существенно меньше времени разрушения ячейки или времени спада напряжения в цепи.

Такой процесс обеспечивает энергонезависимость памяти до 10¹⁵ циклов переключений.

Конденсатор может быть использован и в ЗУ динамического типа (рис.З.б.а). Один из вариантов технологического решения представлен на рис. 3.6.б. Энергонезависимый элемент памяти в виде сегнетоэлектрического конденсатора формируется по обычной 3 мкм -технологии с кремниевыми затворами и одним уровнем металлизации. К обычным технологическим процессам добавляются три новые операции, заключающиеся в формировании двух металлических слоев (обкладок) и тонкого слоя PZT-керамики. Соединение конденсатора с основной схемой осуществляется линиями межсоединений, включая межслойные.

Керамика цирконат-титанат свинца (PZT) обладает высоким удельным сопротивлением (изолятор), термической и химической стойкостью, высокой механической прочностью. Температура фазового перехода PZT-керамики составляет 330°С и поэтому такие схемы могут работать в температурном диапазоне -180°С...+320°С. Пробивное напряжение таких схем составляет ~40В, диэлектрическая проницаемость выше 1,2-10³, что позволяет резко повысить плотность интеграции по сравнению с известными схемами ДОЗУ.

Таким образом, динамические неоднородности в виде сигнетоэлекгрических доменов, встроенных в устройства схемотехнической электроники позволяют получить их новое качество, существенно улучшить выгодные характеристики.

Рис. 3.6 – Структура ячейки памяти динамического типа и ее технологическое решение: АШ, РШ, ИВШ - адресная шина, разрядная шина, шина импульсного возбуждения; С_ЭК - сегнетоэлектрический конденсатор; 1 -металл; 2 - верхний электрод; 3 - пленка PZT-керамики; 4 - нижний электрод; 5 - поликремний; 6 - диоксид кремния