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來源：內容由半導體行業觀察（ID：icbank）編譯自imec，謝謝。
內存計算 (CiM)已成為一種有吸引力的計算范例，可解決深度學習應用傳統設計中的內存和電源墻問題。借助 CiM，運行深度學習算法所需的部分計算可以在內存本身中執行，從而避免在內存和處理單元之間移動大量數據。
在深度學習算法中，主要運算是權重矩陣和輸入向量的矩陣向量乘法。在這些操作中，來自輸入向量的激活信號乘以預編程的權重，這些權重存儲在存儲器元件的陣列中。輸出是求和線（或位線）上所有貢獻的加權和。
正在研究用于存儲權重的不同類型的非易失性存儲器技術。最流行的是電阻式存儲器，例如電阻式 RAM (RRAM)、相變存儲器 (PCM) 和磁性 RAM (MRAM)――存在兩種不同電阻狀態的存儲器。存儲元件排列成交叉陣列并將權重存儲為電導。
幾年前，佐治亞理工學院的研究人員開始探索在模擬 CiM 應用中使用鐵電電容器 (FeCAP) 存儲重量的可能性。與電阻式存儲器相比， FeCAP 具有兩大優勢：(1) 電路顯著提高了功率效率，(2)由于沒有潛行電流流過電路，因此無需選擇器器件。
需要非破壞性讀取操作
FeCAP 類似于傳統電容器，但在兩個金屬層（電極）之間具有鐵電材料，而不是傳統的介電材料。鐵電材料可以存在兩種電極化狀態- P+ 和 P- - 可以通過外部電場反轉。當該場被移除時，鐵電材料保持其極化狀態，從而使 FeCAP 具有非易失性特性。
如今，鉿鋯氧化物 ( HZO ) 因其具有縮放潛力而成為存儲器應用的首選鐵電材料。然而，讀取HZO 基 FeCAP 偏振態的傳統方案具有破壞性：它依賴于鐵電材料的偏振切換，因此需要在每次讀取操作后重新編程偏振態。因此，數據讀取操作的最大數量（即，讀取耐久性）與數據寫入操作的最大數量（寫入耐久性）相關聯。因此，讀取耐久性無法獨立優化。這對于 CiM 應用程序來說是一個問題，因為它需要幾乎無限的讀取耐久性，而低得多的寫入耐久性通常就足夠了。
FeCAP 具有 >10 11無損讀取耐久性和 ~8.7 電容存儲窗口（0V 時）
在2023年IEDM會議上，imec和佐治亞理工學院首次提出了一種將FeCAP的讀寫耐久性完全解耦的解決方案。該解決方案基于在兩個電極的界面中引入不對稱性。這些非對稱設計的 FeCAP 器件可以被讀出超過1011次，而不會干擾 HZO 鐵電體的極化狀態。此外，在0V讀取電壓下獲得了創紀錄的8.7的電容存儲窗口，代表了P+和P-態鐵電體相對介電常數之間的差異。這些結果使 FeCAP 成為 CiM 應用前景廣闊的技術。
非破壞性讀取操作背后的機制
非破壞性地讀出具有 >1011耐久性的 FeCAP 的能力部分是通過研究讀出機制背后的物理原理實現的。對基本原理的基本理解也為進一步改進結果提供了堅實的基礎。
與傳統介電材料不同，鐵電材料在施加的電場和極化電荷之間具有非線性關系，從而使鐵電極化電壓（PV）特性呈現磁滯回線的形式。
這種現象被用于FeCAP 的傳統讀取方案中。實際上，施加電壓脈沖以將存儲單元翻轉到其相反的極化狀態。當這種情況發生時，等于 P+ 和 P- 之間的差值的位移電荷被釋放并被檢測到。這種差異稱為剩余極化(2PR )，代表記憶窗口。為了充分區分 P+ 和 P-，殘余極化 2PR在存儲器的整個壽命期間應盡可能高。然而，主要缺點是每次讀出后都需要對單元重新編程，使得讀取耐久性取決于寫入耐久性。
佐治亞理工學院和imec 的研究人員采取了不同的方法。他們從不同的內存窗口概念開始。他們沒有利用 P+ 和 P- 之間的差異，而是使用電容內存窗口的概念。該電容存儲窗口是 FeCAP 處于 P+ 或 P- 狀態時的電容狀態之間的差異。它可以從 CV 測量中得出，CV 測量繪制鐵電材料對施加電場的非線性電容響應（或相對介電常數 (ε R )）。
鐵電電容器的 CV 曲線類似于0V 附近的對稱蝴蝶曲線，如圖 4 的左側部分所示。在 0V（或零電場）下，蝴蝶曲線的正分支和負分支交叉，導致零電壓電容存儲窗口。但是，研究團隊找到了一種通過對兩個電極應用功函數差異來打開 0V 存儲窗口的方法（參見圖 4 的右側部分）。經過電極的界面工程和材料堆疊的進一步優化后，在 0V 電壓下可以獲得高達 ~8.7 的電容存儲窗口。
然而，應用準靜態 CV 測量來讀出 FeCAP 并不是一種電路友好的讀取操作。最后一步，研究人員表明，可以通過應用基于脈沖的讀取方案并讀出電荷來檢索相同的信息，這在內存操作中更常用。通過這種讀取方案，他們在 0V DC 偏壓下實現了>1011 個周期的非破壞性讀取耐久性，而無需施加極化切換的電場（即矯頑場）。該方案允許讀取耐久性與寫入耐久性完全解耦。
展望：將應用領域拓展至FeRAM；邁向3D鐵電存儲器
目前正在進行研究，以進一步提高CiM 應用的 FeCAP 的讀取耐久性和電容存儲窗口。這是通過進一步設計電極的材料堆棧和功函數來實現的。通過在非零直流偏置之上施加交流讀取脈沖，還可以進一步擴大電容存儲器窗口。然而，在這種情況下，必須注意不要超過矯頑場。
此外，imec 的研究人員正在研究在類 DRAM FeRAM 存儲器應用（嵌入式和獨立式）中使用 FeCAP 和無損讀出方案的可行性。然而，經典主動存儲器和 CiM 類型操作之間存在一些顯著差異。例如，對于主動存儲器應用，除了高讀取耐久性之外，還需要比 CiM 操作更高的寫入耐久性。此外，在 CiM 中，在測量結果之前會累加同一位線上所有存儲單元（小信號）的貢獻。然而，在經典的存儲器應用中，必須可靠地測量每個單獨單元的狀態。這對每個單獨的 FeCAP 的讀出信號的幅度提出了更嚴格的要求，需要更大的存儲窗口。該團隊正在探索 FeRAM 應用的規范以及如何實現它們。
對于這兩種應用，預期趨勢是進入第三維度以進一步增加存儲密度。因此，通過可用于基于 HZO 的電容器的原子層沉積工藝， FeCAP 將從平面電容器結構轉變為3D 電容器 結構。從長遠來看，基于 FeCAP 的存儲器可以集成在外圍邏輯電路之上。所提出的工藝技術的兩個特征使這成為可能。首先，如前所述，由于不存在潛行電流，因此不需要選擇器器件（通常是晶體管）。這使得能夠將鐵電存儲器嵌入邏輯電路的后端（BEOL）中。其次，制造基于 HZO 的 FeCAP（例如低溫 ALD 工藝）所需的熱預算低于 400°C，使得該技術完全兼容 BEOL。
imec 和佐治亞理工學院的研究人員首次證明了以非破壞性方式讀取 FeCAP 的可行性，從而完全解耦讀寫耐久性。可以證明非破壞性讀取耐久性>1011，而寫入耐久性約為107。讀出機制基于電容存儲窗口的概念，可以證明該窗口的記錄高值為 8.7。這些結果使 FeCAP 有希望成為 CiM 應用的候選者。此外，這些創新為探索 FeCAP 在嵌入式和獨立 FeRAM 存儲器應用中的潛力奠定了基礎。
https://www.imec-int.com/en/articles/non-destructive-readout-mechanism-ferroelectric-capacitors-0
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