FeRAM鐵電存儲器魏雙

1、鐵電隨機存取存儲器(FeRAM)5103班 魏雙結構原理結構原理 制造工藝制造工藝特性應用特性應用目錄目錄發(fā)展概況發(fā)展概況結構原理FeRAM(Ferroelectric RAM)是一種隨機存取存儲器技術。但因為它使用了一層有鐵電性的材料，取代原有的介電質，使得它也擁有非揮發(fā)性內存的功能。它以鐵電物質為原材料，將微小的鐵電晶體集成進電容內，通過施加電場，鐵電晶體的電極在兩個穩(wěn)定的狀態(tài)之間轉換，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的寫入與讀取。每個方向都是穩(wěn)定的，即使在電場撤除后仍然保持不變，因此能將數(shù)據(jù)保存在存儲扇區(qū)而無需定期更新。FeRAM的寫入次數(shù)可以高達1014次和10年的數(shù)據(jù)保存能力。在重寫某個存儲單元之前，F(xiàn)eR

2、AM不必擦拭整個扇區(qū)，因此數(shù)據(jù)讀寫速度也略勝一籌。此外，F(xiàn)eRAM的低工作電壓能夠降低功耗，這對移動設備來說具有非常大的吸引力。結構原理鐵電存儲器器件結構目前鐵電存儲器最常見的器件結構是Planar (平面式)和Stack(堆疊式)結構，兩者的區(qū)別在于鐵電電容的位置和電容與MOS管互連的方式。在平面式結構中，將電容置于場氧上面，通過金屬鋁，將電容上電極和MOS管有源區(qū)相連，工藝相對簡單，但單元面積較大；而在堆疊式結構中，將電容置于有源區(qū)，通過塞子(Plug)將電容下電極和MOS管源端相連，需要CMP工藝，集成密度較高。另外，堆疊式結構可以采用鐵電電容制作在金屬線上的做法，從而減少鐵電電容在形成

3、過程中對工藝的相互影響。結構原理鐵電存儲器工作原理FeRAM利用鐵電晶體的鐵電效應實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲，鐵電晶體的結構如圖所示。鐵電效應是指在鐵電晶體上施加一定的電場時，晶體中心原子在電場的作用下運動，并達到一種穩(wěn)定狀態(tài)；當電場從晶體移走后，中心原子會保持在原來的位置。這是由于晶體的中間層是一個高能階，中心原子在沒有獲得外部能量時不能越過高能階到達另一穩(wěn)定位置，因此FeRAM保持數(shù)據(jù)不需要電壓，也不需要像DRAM一樣周期性刷新。由于鐵電效應是鐵電晶體所固有的一種偏振極化特性，與電磁作用無關，所以FeRAM存儲器的內容不會受到外界條件（諸如磁場因素）的影響，能夠同普通ROM存儲器一樣使用，具有非易失性的

4、存儲特性。制造工藝鐵電存儲器技術和標準的CMOS制造工藝相兼容。鐵電薄膜被放置于CMOS基層之上，并置于兩電極之間，使用金屬互連并鈍化的方法完成鐵電存儲器的制造。特點FeRAM具有快速寫入、高耐久性、低功耗的特性，以下列舉了FeRAM在一些領域中與其他存儲器相比的主要優(yōu)勢：頻繁掉電環(huán)境任何非易失性存儲器可以保留配置。可是，配置更改或電源失效情況隨時可能發(fā)生，因此，更高寫入耐性的FeRAM允許無限的變更記錄。任何時間系統(tǒng)狀態(tài)改變，都將寫入新的狀態(tài)。這樣可以在電源關閉可用的時間很短或立即失效時狀態(tài)被寫入存儲器。高噪聲環(huán)境在嘈雜的環(huán)境下向EEPROM寫數(shù)據(jù)是很困難的。在劇烈的噪音或功率波動情況下，E

5、EPROM的寫入時間過長會出現(xiàn)漏洞（以毫秒衡量），在此期間寫入可能被中斷。錯誤的概率跟窗口的大小成正比。FeRAM的寫入執(zhí)行窗口少于200ns。特點射頻識別系統(tǒng)在非接觸式存儲器領域里，F(xiàn)eRAM提供一個理想的解決方案。低功耗訪問在射頻識別系統(tǒng)中至關重要，因為能源消耗是以距離成指數(shù)下降的。想要以最小的能耗讀寫標簽數(shù)據(jù)就必須保持標簽有足夠近的距離。通過對射頻發(fā)射機和接收機改進寫入距離，降低運動的靈敏性以及降低射頻功率需求，使需要寫入的應用獲得優(yōu)勢。診斷和維護系統(tǒng)在一個復雜的系統(tǒng)里，記錄系統(tǒng)失效時的操作歷史和系統(tǒng)狀態(tài)是非常寶貴的。如果沒有這些數(shù)據(jù)，能夠準確的解決或執(zhí)行需求指令是很困難的。由于FeRA

6、M具備高耐久性的特點，可以生成一個理想的系統(tǒng)日志。從計算機工作站到工業(yè)過程控制等的系統(tǒng)，都能從FeRAM中獲益 應用一、數(shù)據(jù)采集與記錄 FeRAM可以讓設計者更快、更頻繁地將數(shù)據(jù)寫入非易失性存儲器，而且價格比EEPROM低。數(shù)據(jù)采集通常包括采集和存儲兩部分，系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)需要在掉電后能夠保存，這些功能是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)或子系統(tǒng)所具有的基本功能。在大多數(shù)情況下，一些歷史記錄是很重要的。典型應用：儀表 (電表、氣表、水表、流量表)、RF/ID、儀器、和汽車黑匣子、安全氣袋、GPS定位系統(tǒng)、電力電網監(jiān)控系統(tǒng)。 應用二、參數(shù)設置與存儲 FeRAM通過實時存儲數(shù)據(jù)幫助系統(tǒng)設計者解決了突然斷電數(shù)據(jù)丟失的問題

7、。參數(shù)存儲用于跟蹤系統(tǒng)在過去時間內的改變，它的目的包括在上電狀態(tài)時恢復系統(tǒng)狀態(tài)或者確認一個系統(tǒng)錯誤。總的來說，數(shù)據(jù)采集是系統(tǒng)或子系統(tǒng)的功能，不論何種系統(tǒng)類型，設置參數(shù)存儲都是一種底層的系統(tǒng)功能。典型應用： 影印機,打印機,工業(yè)控制,機頂盒,網絡設備和大型家用電器 應用三、非易失性緩沖 鐵電存貯器（FeRAM）可以在其它存儲器之前快速存儲數(shù)據(jù)。在此情況下，信息從一個子系統(tǒng)非實時地傳送到另一個子系統(tǒng)去。由于資料的重要性, 緩沖區(qū)內的數(shù)據(jù)在掉電時不能丟失，在某些情況下，目標系統(tǒng)是一個較大容量的存儲裝置。FeRAM以其擦寫速度快、擦寫次數(shù)多使數(shù)據(jù)在傳送之前得到存儲。典型應用：工業(yè)系統(tǒng)、銀行自動提款機

8、(ATM), 稅控機, 商業(yè)結算系統(tǒng) (POS), 傳真機，未來將應用于硬盤非易失性高速緩沖存儲器。發(fā)展概況Ramtron公司是最早成功制造出FeRAM的廠商。在1995年開發(fā)出46kbit的并行和串行結構的FeRAM產品，該公司推出高集成度的FM31系列器件，可以用于汽車電子、消費電子、通信、工業(yè)控制、儀表和計算機等領域。TOSHIBA公司與INFINEON公司2003年合作開發(fā)出存儲容量達到32M的FeRAM，該FeRAM采用單管單電容(1T1C)的單元結構和0.2mm工藝制造，存取時間為50ns，循環(huán)周期為75ns，工作電壓為3.0V或2.5V。Matsushita公司也在2003年7月宣布推出世界上第一款采用0.18mm工藝大批量制造的FeRAM嵌入式系統(tǒng)芯片，這種產品整合了多種新穎的技術，包括采用了獨特的無氫損單元和堆疊結構，將存儲單元的尺寸減小為原來的