鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 (FeRAM / FRAM) 技術(shù)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)非易失性存儲(chǔ)器的需求越來(lái)越大，其讀寫速度要求越來(lái)越快，功耗也越來(lái)越符合用戶的要求。但傳統(tǒng)的非易失性存儲(chǔ)器如 EEPROM、FLASH 等已經(jīng)難以滿足這些需求。

傳統(tǒng)的主流半導(dǎo)體存儲(chǔ)器可分為易失性和非易失性兩大類。易失性存儲(chǔ)器包括靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（SRAM）和動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（DRAM）。SRAM 和 DRAM 在斷電時(shí)都會(huì)丟失保存的數(shù)據(jù)。雖然 RAM 易于使用且性能良好，但它的一大缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)丟失。

非易失性存儲(chǔ)器在斷電的情況下不會(huì)丟失存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，因?yàn)樗兄髁鞯姆且资源鎯?chǔ)器都源自只讀存儲(chǔ)器（ROM）技術(shù)。ROM，所謂的只讀存儲(chǔ)器，絕對(duì)不容易寫，其實(shí)根本就寫不出來(lái)。ROM技術(shù)開(kāi)發(fā)的所有存儲(chǔ)器都難以寫入數(shù)據(jù)，包括EPROM、EEPROM和Flash。而且這些存儲(chǔ)器不僅寫入速度慢，而且只能擦除和寫入有限的次數(shù)。

鐵電存儲(chǔ)器是一種基于半導(dǎo)體技術(shù)改進(jìn)的新型存儲(chǔ)器，具有一些獨(dú)特的特性。鐵電存儲(chǔ)器兼容RAM的所有功能，是一種類似于ROM的非易失性存儲(chǔ)器。換句話說(shuō)，鐵電存儲(chǔ)器彌補(bǔ)了這兩種存儲(chǔ)類型之間的差距，一種非易失性 RAM。與傳統(tǒng)的非易失性存儲(chǔ)器相比，它以其功耗低、讀寫速度快、抗輻照能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)備受關(guān)注。

目錄

鐵電存儲(chǔ)器 (FeRAM)

鐵電存儲(chǔ)器 ( FRAM )，也稱為F-RAM或FeRAM，是一種讀寫速度快的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，結(jié)合了斷電后數(shù)據(jù)保留的能力（如只讀存儲(chǔ)器和閃存），是個(gè)人電腦最常用的類型記憶。由于它不像動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 (DRAM) 和靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 (SRAM) 那樣密集，也就是說(shuō)，它無(wú)法在相同的空間中存儲(chǔ)盡可能多的數(shù)據(jù)。換句話說(shuō)，它無(wú)法取代 DRAM 和 SRAM 技術(shù)。然而，因?yàn)樗梢栽诜浅５偷墓β蕳l件下快速存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，所以它被廣泛用于消費(fèi)者的小型設(shè)備，如個(gè)人數(shù)字助理 (PDA)、移動(dòng)電話、電表、智能卡和安全系統(tǒng)。FRAM 的讀寫速度比閃存快。在某些應(yīng)用中，

FeRAM或鐵電 RAM 似乎表明內(nèi)存中存在鐵元素，但實(shí)際上并非如此。鐵電體是一種包含可以自發(fā)極化的晶體的材料。它有兩種狀態(tài)，可以通過(guò)外部電場(chǎng)逆轉(zhuǎn)。當(dāng)對(duì)鐵電晶體施加電場(chǎng)時(shí)，中心原子沿電場(chǎng)方向在晶體中移動(dòng)。當(dāng)一個(gè)原子移動(dòng)時(shí)，它會(huì)穿過(guò)一個(gè)能壘，導(dǎo)致電荷擊穿。內(nèi)部電路對(duì)電荷擊穿作出反應(yīng)并設(shè)置存儲(chǔ)器。去除電場(chǎng)后，中心原子保持極化狀態(tài)，使材料具有非易失性，因此保持了存儲(chǔ)器的狀態(tài)。因?yàn)檎麄€(gè)物理過(guò)程沒(méi)有原子碰撞，

因此，在外加電場(chǎng)作用下，鐵電材料的極化特性會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)這個(gè)電場(chǎng)被移除時(shí)，數(shù)據(jù)仍然可以被保存。在沒(méi)有外加電場(chǎng)的情況下，極化特性有兩種穩(wěn)定狀態(tài)。圖1是鐵電材料電容器的磁滯回線，顯示了鐵電電容器在不同外加電場(chǎng)下的不同極性。其中，最重要的兩個(gè)參數(shù)是剩余極化程度Pr和矯頑場(chǎng)Ec。在沒(méi)有電場(chǎng)效應(yīng)的情況下，+/-Pr 代表“0”和“1”兩種狀態(tài)。要獲得這兩種狀態(tài)，所施加的電場(chǎng)必須大于+/- Ec，此時(shí)還確定了所需的閾值電壓。

圖 1. 鐵電磁滯回路

業(yè)界探索鐵電材料在 DRAM 中的應(yīng)用：將它們用作 DRAM 電容器中的介電材料。即在標(biāo)準(zhǔn)邏輯器件中用鐵電體代替高K介電材料，最后形成非易失性晶體管，即FeFET。即使去除電源電壓，鐵電柵極氧化物的兩個(gè)穩(wěn)定極化狀態(tài)也會(huì)改變晶體管的閾值電壓。因此，二進(jìn)制狀態(tài)被編碼在晶體管的閾值電壓中。存儲(chǔ)單元的寫操作可以通過(guò)在晶體管的柵極上施加脈沖來(lái)完成，這會(huì)改變鐵電材料的極化狀態(tài)并影響閾值電壓。例如，施加正脈沖將降低閾值電壓，使晶體管處于“導(dǎo)通”狀態(tài)。讀數(shù)是通過(guò)測(cè)量漏極電流來(lái)完成的。這種存儲(chǔ)模式類似于NAND閃存的工作模式：從浮柵注入和抽出電子，從而調(diào)整晶體管的閾值電壓。

相比之下，鐵電電容器的漏電流系數(shù)不如傳統(tǒng)的非易失性存儲(chǔ)器如 EEPROM 和 FLASH 重要，因?yàn)?FeRAM 的信息存儲(chǔ)是通過(guò)極化實(shí)現(xiàn)的，而不是自由電子。

理想的鐵電材料需要滿足以下特性：

• 介電常數(shù)小

• 合理的自極化度（~5μC/cm2）

• 居里溫度高（超出器件的存儲(chǔ)和工作溫度范圍）

• 鐵電材料的厚度應(yīng)該很?。▉單⒚祝?，以使矯頑場(chǎng)EC 更小。

• 鐵電材料應(yīng)具有一定的擊穿場(chǎng)強(qiáng)。

• 內(nèi)部切換速度要快（納秒級(jí)）

• 數(shù)據(jù)保持能力和持久能力會(huì)很好。

• 如果用于軍隊(duì)，還要求能夠抵抗輻射照射。

• 良好的化學(xué)穩(wěn)定性

• 加工均勻性好

• 易于集成到 CMOS 工藝中

• 對(duì)周圍電路無(wú)不良影響

• 小污染

經(jīng)過(guò)多年的研發(fā)，目前主流的鐵電材料主要有兩種：PZT和SBT。

PZT為鋯鈦酸鉛PbZrxTil-xO3；SBT 是鉭酸鍶鉍 Sr1-yBi2 + xTa2O9。這兩種材料的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖 2. PZT 和 SBT 材料結(jié)構(gòu)示意圖

PZT是研究最多和應(yīng)用最廣泛的。它的優(yōu)點(diǎn)是可以通過(guò)濺射和 MOCVD 在較低溫度下制造。具有剩余極化大、原料便宜、結(jié)晶溫度低等優(yōu)點(diǎn)。它的缺點(diǎn)是疲勞退化問(wèn)題，并導(dǎo)致對(duì)環(huán)境的污染。此外，這些材料的薄膜沉積過(guò)程已被證明是非常具有挑戰(zhàn)性的。同時(shí)，這些材料極高的介電常數(shù)（約 300）是它們集成到晶體管中的一大障礙。

此外，科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)在不太復(fù)雜的材料氧化鉿 (HfO 2 ) 中存在鐵電相，這引發(fā)了新的存儲(chǔ)概念。研究人員發(fā)現(xiàn)，可以通過(guò)將硅 (Si) 摻雜到 HfO 2 中來(lái)穩(wěn)定鐵電相。與PZT相比，HfO 2 具有較低的介電常數(shù)，可以以共形方式沉積薄膜（即原子層沉積（ALD）工藝）。最重要的是，科學(xué)家們熟悉 HfO 2，因?yàn)樗沁壿嬈骷?HKMG 中的 HK 柵極氧化物材料。通過(guò)修改這種 CMOS 兼容材料，邏輯晶體管可以變成非易失性 FeFET 存儲(chǔ)晶體管。

FeFET 的功能驗(yàn)證已在二維平面架構(gòu)中實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，HfO 2 保形沉積工藝使3D堆疊成為可能，例如，在垂直“壁”上沉積鐵電材料以在垂直方向上堆疊晶體管。

在材料方面，3D FeFET 可以解決 2D FeFET 結(jié)構(gòu)帶來(lái)的一些挑戰(zhàn)。一項(xiàng)挑戰(zhàn)與 HfO 2的多晶性質(zhì)有關(guān)?？s放 HfO 2 膜的厚度將顯著減少該層中的晶粒數(shù)量。由于并非所有晶粒的極化方向都相同，晶粒的減少會(huì)影響晶體管對(duì)外電場(chǎng)響應(yīng)的一致性，最終導(dǎo)致管子之間出現(xiàn)較大的差異。通過(guò) 3D 堆疊，這個(gè)缺點(diǎn)在物理領(lǐng)域得到了克服。也就是說(shuō)，HfO 2 不需要被壓縮得太薄，從而減少管與管之間的差異。

預(yù)計(jì)這些垂直 FeFET 比復(fù)雜的 3D NAND 閃存具有更多優(yōu)勢(shì)，包括工藝簡(jiǎn)單、功耗更低和速度更快。與 3D NAND 閃存相比，垂直 FeFET 可以在更低的電壓下進(jìn)行編程，從而提高了存儲(chǔ)器的可靠性和可擴(kuò)展性。

SBT最大的優(yōu)點(diǎn)是不存在疲勞退化的問(wèn)題，而且不含鉛，符合歐盟環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)；但其缺點(diǎn)是工藝溫度較高，工藝集成困難，殘余極化程度小。兩種材料的比較見(jiàn)表1。

表 1. PZT 和 SBT 的比較

目前，從環(huán)保的角度來(lái)看，PZT已經(jīng)被禁用，但從鐵電存儲(chǔ)器的性能和工藝集成以及成本的角度來(lái)看，SBT相比PZT沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。因此，鐵電材料的選擇值得探討。

鐵電存儲(chǔ)器的電路結(jié)構(gòu)主要分為以下三種：2晶體管-2電容（2T2C）、1晶體管-2電容（1T2C）、1晶體管-1電容（1T1C），如圖3所示。 2T2C結(jié)構(gòu)的每一位都有兩個(gè)相對(duì)的電容作為參考，所以可靠性更好，但占用空間太大，不適合高密度應(yīng)用。晶體管/單電容結(jié)構(gòu)可以像DRAM一樣為存儲(chǔ)陣列的每一列提供參考，與現(xiàn)有的2T2C結(jié)構(gòu)相比，它們有效地將存儲(chǔ)單元所需的空間減少了一半。這種設(shè)計(jì)大大提高了鐵電存儲(chǔ)器的效率，降低了鐵電存儲(chǔ)器產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。1T1C結(jié)構(gòu)具有更高的集成密度（8F2），但其可靠性較差。而1T2C結(jié)構(gòu)是這兩種結(jié)構(gòu)的折中。

圖 3. 三種 FRAM 結(jié)構(gòu)

目前，為了獲得高密度的內(nèi)存，多采用1T1C結(jié)構(gòu)（如圖4所示）。此外，還采用了鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，從而制成了Chain FeRAM。這種結(jié)構(gòu)類似于NAND結(jié)構(gòu)。通過(guò)這種方式，可以獲得比1T1C更高的存儲(chǔ)密度，但是這種方式也會(huì)大大增加存取時(shí)間。鏈?zhǔn)?FeRAM（CFeRAM）結(jié)構(gòu)如圖 5 所示。

圖 4. 1T1C 布局

圖 5. 鏈?zhǔn)?FeRAM (CFeRAM) 電路結(jié)構(gòu)

根據(jù)電子存儲(chǔ)單元的極性，小電荷量為“0”，大電荷量為“1”。該電荷被轉(zhuǎn)換為讀取電壓，小于參考電壓時(shí)為“0”，大于參考電壓時(shí)為“1”。存儲(chǔ)的信息被讀出，如圖 6 所示。

圖 6. FRAM 的讀寫過(guò)程

在讀取過(guò)程中，字線電壓升高，使MOS管導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)線電壓升高為VCC，使存儲(chǔ)電容的不同電荷分布到位線寄生電容上，從而出現(xiàn)不同的電壓在 BL 上識(shí)別數(shù)據(jù)。在寫過(guò)程中，字線升高，使MOS管導(dǎo)通，同時(shí)給驅(qū)動(dòng)線施加一個(gè)脈沖，使位線上的不同數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在鐵電電容的兩種不同穩(wěn)態(tài)中。

通過(guò)加一個(gè)正電壓或一個(gè)負(fù)電壓，這兩個(gè)電壓可以使電容器變成兩種不同的極性。這樣，信息就寫入了內(nèi)存。

目前，鐵電存儲(chǔ)器最常見(jiàn)的器件結(jié)構(gòu)是平面結(jié)構(gòu)和堆疊結(jié)構(gòu)。兩者的區(qū)別在于干式鐵電電容的位置和電容與MOS管的連接方式。在平面結(jié)構(gòu)中，電容放置在場(chǎng)氧化物上方，電容的電極通過(guò)金屬鋁連接到MOS管的有源區(qū)。工藝比較簡(jiǎn)單，但單位間距大。在堆疊結(jié)構(gòu)中，電容放置在源區(qū)，電容的下電極通過(guò)基于CMP工藝的插塞連接到MOS管的源極端，具有較高的集成密度。此外，堆疊結(jié)構(gòu)可以采用在金屬線上制作鐵電電容器的方法，從而減少形成過(guò)程中的相互影響。下面兩種結(jié)構(gòu)的示意圖如圖7和圖8所示。

圖 7. 平面結(jié)構(gòu)

圖 8. 堆棧結(jié)構(gòu)

平面結(jié)構(gòu)的工藝比較簡(jiǎn)單。隔離采用LOCOS結(jié)構(gòu)，平坦化不需要CMP。堆疊結(jié)構(gòu)基于先進(jìn)技術(shù)集成度高，采用STI隔離，另外需要CMP平整，可以使用銅線。

此外，還有一種使用鐵電材料作為柵極的結(jié)構(gòu)。這樣的設(shè)備可以消除數(shù)據(jù)讀出的破壞性問(wèn)題，理論上更節(jié)省空間，可以做更大的集成。但是，這種結(jié)構(gòu)仍然存在嚴(yán)重的問(wèn)題，即數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力很差，只有一個(gè)月或更短的時(shí)間，遠(yuǎn)不實(shí)用。圖9是這種結(jié)構(gòu)的示意圖。

圖 9. FeFET 結(jié)構(gòu)圖

目前，鐵電存儲(chǔ)器一般采用線寬大于0.5μm的平面結(jié)構(gòu)，線寬小于0.5μm時(shí)一般采用堆疊結(jié)構(gòu)。

目前，Ramtron 的 FRAM 主要包括兩類：串行 FRAM 和并行 FRAM。其中，串行FRAM分為I2C二線FM24××系列和SPI三線FM25xx系列。串行 FRAM 兼容傳統(tǒng)的 24xx 和 25xx E2PROM 引腳和時(shí)序，可直接替換。

FRAM產(chǎn)品兼有RAM和ROM的優(yōu)點(diǎn)，讀寫速度快，另外還可以作為非易失性存儲(chǔ)器使用。由于鐵電晶體的缺點(diǎn)，訪問(wèn)次數(shù)是有限的，超過(guò)這個(gè)數(shù)量 FRAM 不再是非易失性的。給出的最大訪問(wèn)次數(shù)是 100 億次，但這并不意味著超過(guò)這個(gè)上限就會(huì)報(bào)廢 FRAM。就其而言，F(xiàn)RAM 不是非易失性的，但它仍然可以用作普通 RAM。

• FRAM 與 E2PROM

FRAM 可用作 E2PROM 的第二個(gè)選項(xiàng)。除了 E2PROM 的性能外，F(xiàn)RAM 訪問(wèn)速度要快得多。在使用 FRAM 時(shí)，必須確定一旦系統(tǒng)中有 100 億次訪問(wèn)下降到 FRAM，就沒(méi)有損壞。

• FRAM 與 SRAM

在速度、價(jià)格和便利性方面，SRAM 優(yōu)于 FRAM；但從整個(gè)設(shè)計(jì)來(lái)看，F(xiàn)RAM 具有一定的優(yōu)勢(shì)。

非易失性 FRAM 可以保存啟動(dòng)程序和配置信息。如果應(yīng)用中所有存儲(chǔ)器的最大訪問(wèn)速度為70ns，可以使用一塊FRAM來(lái)完成系統(tǒng)，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單。

• FRAM 與 DRAM

DRAM 適用于密度和價(jià)格比訪問(wèn)速度更重要的應(yīng)用。例如，DRAM 是圖形顯示內(nèi)存的最佳選擇。有大量的像素需要存儲(chǔ)，恢復(fù)時(shí)間不是很重要。如果下次啟動(dòng)時(shí)不需要保存最后的內(nèi)容，請(qǐng)使用易失性 DRAM 內(nèi)存。DRAM的作用和成本相比FRAM是合理的?？傊聦?shí)證明DRAM不能完全被FRAM取代。

• FRAM 與閃存

目前最常用的程序存儲(chǔ)器是Flash，使用起來(lái)更方便，也更便宜。程序存儲(chǔ)器必須是非易失性的，并且更容易重寫，但 FRAM 的使用受到訪問(wèn)次數(shù)的限制。

• 數(shù)據(jù)收集和記錄

FeRAM 使設(shè)計(jì)人員能夠以比 EEPROM 更低的價(jià)格更快、更頻繁地寫入數(shù)據(jù)。

典型應(yīng)用：儀表（電表、氣表、水表、流量計(jì)）、RF/ID儀器、汽車黑匣子、安全氣囊、GPS、電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)等。

• 參數(shù)設(shè)置和存儲(chǔ)

FeRAM 通過(guò)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，幫助設(shè)計(jì)人員解決因突然斷電而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失的問(wèn)題。FeRAM 中的參數(shù)存儲(chǔ)用于跟蹤系統(tǒng)過(guò)去時(shí)間的變化。其目的包括恢復(fù)系統(tǒng)狀態(tài)或在通電時(shí)確認(rèn)系統(tǒng)錯(cuò)誤。

典型應(yīng)用：復(fù)印機(jī)、打印機(jī)、工業(yè)控制、機(jī)頂盒、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和大型家用電器。

• 非易失性緩沖液

FeRAM 可以在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到其他內(nèi)存之前快速存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，從而在斷電時(shí)不會(huì)丟失緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)。

典型應(yīng)用：工業(yè)系統(tǒng)、ATM柜員機(jī)、稅控機(jī)、商業(yè)結(jié)算系統(tǒng)（POS）、傳真機(jī)、硬盤中的非易失性緩存等。

鐵電存儲(chǔ)器是一種新興的非易失性存儲(chǔ)器。起步較早，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。由于其功耗低、讀寫速度快、抗輻照能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于低功耗、抗輻射的小規(guī)模存儲(chǔ)區(qū)有市場(chǎng)。具有抗輻射特性，在電磁波或輻射的情況下，數(shù)據(jù)仍然安全，因此在空間科學(xué)、醫(yī)學(xué)等特定領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。但是，鐵電存儲(chǔ)器也存在集成度難以提高、工藝污染較多、難以兼容CMOS工藝等缺點(diǎn)。因此需要進(jìn)一步的研究和解決。

FRAM 有什么用？

鐵電 RAM是一種隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，其結(jié)構(gòu)類似于 DRAM，但使用鐵電層而不是介電層來(lái)實(shí)現(xiàn)非易失性。它是越來(lái)越多的替代非易失性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器技術(shù)之一，可提供與閃存相同的功能。FRAM可用于許多領(lǐng)域，例如，具有超低功耗，非常適用于智能水表、燃?xì)獗淼取?/span>

鐵電RAM常見(jiàn)問(wèn)題

1.什么是FRAM內(nèi)存？
鐵電 RAM（FeRAM、F-RAM 或 FRAM）是一種結(jié)構(gòu)類似于 DRAM 的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，但使用鐵電層而不是介電層來(lái)實(shí)現(xiàn)非易失性。

2.什么是鐵電效應(yīng)？
鐵電性是某些具有自發(fā)電極化的材料的特性，可通過(guò)施加外部電場(chǎng)逆轉(zhuǎn)。...因此，盡管大多數(shù)鐵電材料不包含鐵，但前綴 ferro（意思是鐵）被用來(lái)描述這種特性。

3. FRAM 是如何工作的？
FRAM 是一種非易失性存儲(chǔ)器，即使在斷電后仍能保留其數(shù)據(jù)。但是，類似于個(gè)人計(jì)算機(jī)、工作站和非手持游戲控制臺(tái)中常用的 DRAM（動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器），F(xiàn)RAM 需要在每次讀取后進(jìn)行內(nèi)存恢復(fù)。

4. FRAM有什么獨(dú)特的特點(diǎn)？
FRAM兼具ROM（只讀存儲(chǔ)器）和RAM（隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）的特點(diǎn)，具有寫入速度快、讀寫循環(huán)耐久性強(qiáng)、功耗低等特點(diǎn)。

5. Feram 中的讀寫操作是什么？
鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 (FRAM)
中的寫操作與讀操作類似，預(yù)充電操作在寫訪問(wèn)之后進(jìn)行。該電路將“寫入”數(shù)據(jù)應(yīng)用于鐵電電容器。如有必要，新數(shù)據(jù)會(huì)簡(jiǎn)單地切換鐵電晶體的狀態(tài)。