铁电存储器的技术原理

苓民船

                 铁电存储器的技术原理   
    铁电存储器(FRAM)能兼容RAM的一切功能，并且和ROM技术一样，是一种非易失性的存储器。铁电存储器在这两类存储类型间搭起了一座跨越沟壑的桥梁?D?D一种非易失性的RAM。
    相对于其它类型的半导体技术而言，铁电存储器具有一些独一无二的特性。传统的主流半导体存储器可以分为两类--易失性和非易失性。易失性的存储器包括静态存储器SRAM(static random access memory)和动态存储器DRAM(dynamic random access memory)。 SRAM和DRAM在掉电的时候均会失去保存的数据。 RAM 类型的存储器易于使用、性能好，可是它们同样会在掉电的情况下会失去所保存的数据。
    非易失性存储器在掉电的情况下并不会丢失所存储的数据。然而所有的主流的非易失性存储器均源自于只读存储器(ROM)技术。 正如你所猜想的一样，被称为只读存储器的东西肯定不容易进行写入操作，而事实上是根本不能写入。所有由ROM技术研发出的存储器则都具有写入信息困难的特点。这些技术包括有EPROM(几乎已经废止)、EEPROM和Flash。 这些存储器不仅写入速度慢，而且只能有限次的擦写，写入时功耗大。
    铁电存储器能兼容RAM的一切功能，并且和ROM技术一样，是一种非易失性的存储器。铁电存储器在这两类存储类型间搭起了一座跨越沟壑的桥梁--一种非易失性的RAM。 [img]/qzone/newblog/v5/editor/css/loading.gif[/img]  
    当一个电场被加到铁电晶体时，中心原子顺着电场的方向在晶体里移动。当原子移动时，它通过一个能量壁垒，从而引起电荷击穿。内部电路感应到电荷击穿并设置存储器。移去电场后，中心原子保持不动，存储器的状态也得以保存。铁电存储器不需要定时更新，掉电后数据能够继续保存，速度快而且不容易写坏。  
    铁电存储器技术和标准的CMOS制造工艺相兼容。铁电薄膜被放置于CMOS基层之上，并置于两电极之间，使用金属互连并钝化后完成铁电制造过程。 [img]/qzone/newblog/v5/editor/css/loading.gif[/img]
    Ramtron公司的铁电存储器技术到现在已经相当的成熟。最初的铁电存储器采用两晶体管/两电容器(2T/2C)的结构，导致元件体积相对过大。最近随着铁电材料和制造工艺的发展，在铁电存储器的每一单元内都不再需要配置标准电容器。Ramtron新的单晶体管/单电容器结构可以像DRAM一样，使用单电容器为存储器阵列的每一列提供参考。与现有的2T/2C结构相比，它有效的把内存单元所需要的面积减少一半。新的设计极大的提高了铁电存储器的效率，降低了铁电存储器产品的生产成本。
    Ramtron公司同样也通过转向更小的技术节点来提高铁电存储器各单元的成本效率。最近采用的0.35微米的制造工艺相对于前一代0.5微米的制造工艺，极大的降低了芯片的功耗，提高了单个晶元的利用率。 [img]/qzone/newblog/v5/editor/css/loading.gif[/img]   
    所有这些令人振奋发展使铁电存储器在人们日常生活的各个领域广为应用。从办公室复印机、高档服务器到汽车安全气囊和娱乐设施，铁电存储器不断改进性能在世界范围内得到广泛的应用。
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       关于铁电存储器(FRAM)的常见问答
问：和其它非易失性存储器制造技术相比，铁电存储器在性能方面有什么不同吗?
答：铁电存储器在性能方面与EEPRON和Flash相比有三点优势之处: 首先，铁电存储器的读写速度更快。与其它存储器相比，铁电存储器的写入速度要快10万次以上。读的速度同样也很快，和写操作在速度上几乎没有太大的区别。其次，FRAM存储器可以无限次擦写，而EEPROM则只能进行100万次的擦写。最后，铁电存储器所需功耗远远低于其他非易失性存储器。
问：和其它存储器相比铁电存储器有什么不同吗？
答：如果要回答这个问题的话，简单了解一下存储器技术的背景资料很有必要。存储器的生产技术可以分为两类：易失性和非易失性。易失性存储器在断电后存储的数据会丢失，而非易失性存储器则不然。传统的易失性存储器包括SRAM(静态随机存储器)和DRAM(动态随机存储器)。他们都源自RAM技术-随机存取存储器技术。
    RAM的主要优点是容易使用且读写操作类似。但是传统RAM的主要缺点是其只能被用来做暂时性的存储。传统的非易性存储器技术均源自ROM技术，即只读存储器技术。经过各种技术的改进，工程师们创造出Flash和EEPROM存储器，这些改进的存储器开始能够进行写入操作了。但是这种基于ROM技术生产的存储器都有不易写入、写入需要特大功耗等缺点。  
    所以传统的基于ROM技术制造的存储器是不适应需要多次写入操作的应用领域的。而铁电存储器(FRAM)则是第一个非易失性的RAM存储器。它结合了SRAM和DRAM易写入的特性，又具有Flash和EEPROM得非易失性的特点。
问：铁电存储器怎样与其它高性能的非易失性存储器，诸如MRAM来竞争？
答：两者最大的区别就是产品技术和市场是否成熟。铁电存储器是从实验室研发阶段一步步发展到拥有巨大客户群的生产销售阶段的。而 MRAM和其他比较高级的存储器虽然承诺的条件和技术很好，但是在实际应用层面还面临着许多障碍，很难达到目前铁电存储器的水平，并且铁电存储器的技术还在不断的更新和改进。所以事实上Ramtron不能将还处于实验室开发阶段的存储器产品与技术已经成熟并大量生产销售的铁电存储器相比较。
问：铁电存储器自投产至今有多久？前景如何？
答：Ramtron公司在1992年下半年开始生产供销售的铁电存储器。从那时起，铁电存储器开始持续生产，生产规模也在近年迅速扩大。不断有新的制造合作商开始获得生产铁电存储器的授权许可，在不远的将来，在市场上将会出现更多、更高性能的铁电存储器。
问：该项铁电技术的发展历史是怎样的？
答：Ramtron成立于1984年并从那时起开始发展铁电技术。在第一阶段把重点放在材料科学上－即该采用什么样的材料、怎样去转储等等。在1992年建成晶元生产线后，才开始开发出一个产品。
    值得一提的是，Ramtron花了8年时间(1984－1992)才弄清了了基本的技术原理。Ramtron事实上在1993年就已经推出了一个4Kb的铁电存储器，而这是第一个用于商业销售的存储器产品。1993到1997年间， Ramtron开始运作自己的晶元生产线，这也是当时世界上仅有的能生产出铁电存储器的晶元生产线。这里有一台仪器设备能够控制设计出1微米的芯片制程。当时能生产的存储器最大容量为64kb。终于在1995年Ramtron开始铁电存储器的技术授权。  
    1995年到1997年间，Ramtron着重于技术授权，而在技术提高升级方面则少一些。在那段时期，Ramtron事实上在推进技术进步方面没有取得什么很重大的进步。Ramtron的第一个合作伙伴(Rohm)在1998年开始投入铁电存储器的生产，开发出Ramtron的1微米制程。至此，Ramtron的产品在产量和信任度上取得了实质性的增长，但是还没有达到最大的程度。Ramtron第二个合作伙伴(富士通)在1999年开始生产铁电存储器。他们取得了重大的进展，已经开始了0.5微米的制程生产。这项进展使得Ramtron现在生产256Kb容量的存储器成为可能。直到这个时候，Ramtron才把重点放在提高技术的稳定可靠性和制造工艺上，并且现在在这两个方面已经取得了成效。