铁电存储器

LOGO铁电存储器吴立佳2011.11.5一、背景介绍铁电存储技术早在1921年提出，直到1993年美国Ramtron国际公司成功开发出第一个4K位的铁电存储器FRAM产品，目前所有的FRAM产品均由Ramtron公司制造或授权。最近几年，FRAM又有新的发展，采用了0.35m工艺，推出了3V产品，开发出“单管单容”存储单元的FRAM，最大密度可达256K位。都是采用浮动栅技术，浮动栅存储单元包含一个电隔离门，浮动栅位于标准控制栅的下面及通道层的上面。浮动栅存储单元的信息存储是通过保存浮动栅内的电荷而完成的。利用改变浮动栅存储单元的电压就能达到电荷添加或擦除的动作，从而确定存储单元是在”1”或“0”的状态。背景介绍铁电存储器采用人工合成的铅锆钛(PZT)材料形成存储器结晶体。当一个电场被施加到铁晶体管时，中心原子顺着电场停在低能量状态I位置，反之，当电场反转被施加到同一铁晶体管时，中心原子顺着电场的方向在晶体里移动并停在另一低能量状态II。二、FRAM原理及特点FRAM利用铁电晶体的铁电效应实现数据存储，铁电晶体的结构如图1所示。铁电效应是指在铁电晶体上施加一定的电场时，晶体中心原子在电场的作用下运动，并达到一种稳定状态；当电场从晶体移走后，中心原子会保持在原来的位置。保持数据不需要电压，也不需要像DRAM一样周期性刷新。FRAM存储器的内容不会受到外界条件诸如磁场因素的影响，能够同普通ROM存储器一样使用，具有非易失性的存储特性。FRAM速度快，能够像RAM一样操作，读写功耗极低，不存在如E2PROM的最大写入次数的问题。但受铁电晶体特性制约，FRAM仍有最大访问（读）次数的限制。三、FRAM存储单元结构FRAM的存储单元主要由电容和场效应管构成，但这个电容不是一般的电容，在它的两个电极板中间沉淀了一层晶态的铁电晶体薄膜。前期的FRAM每个存储单元使用两个场效应管和两个电容，称为“双管双容”（2T2C），每个存储单元包括数据位和各自的参考位，简化的2T2C存储单元结构如图2（a）所示。设计开发了更先进的单管单容（1T1C）存储单元。1T1C的FRAM所有数据位使用同一个参考位，而不是对于每一数据位使用各自独立的参考位。1T1C的FRAM产品成本更低，而且容量更大。简化的1T1C存储单元结构（未画出公共参考位）如图2（b）所示。四、FRAM的读/写操作FRAM读操作过程是：在存储单元电容上施加一已知电场，如果原来晶体的中心原子的位置与所施加的电场方向使中心原子要达到的位置相同，则中心原子不会移动；若相反，则中心原子将越过晶体中间层的高能阶到达另一位置，则在充电波形上就会出现一个尖峰，即产生原子移动的比没有产生移动的多了一个尖峰，把这个充电波形同参考位的充电波形进行比较，便可以判断检测的存储单元中的内容是“1”或“0”。的读/写操作无论是2T2C还是1T1C的FRAM，对存储单元进行读操作时，数据位状态可能改变而参考位则不会改变。由于读操作可能导致存储单元状态的改变，需要电路自动恢复其内容，所以每个读操作后面还伴随一个预充过程来对数据位恢复，而参考位则不用恢复。写操作和读操作十分类似，只要施加所要方向的电场改变铁电晶体的状态就可以了，而无需进行恢复。但是写操作仍要保留一个预充时间，所以总的时间与读操作相同。FRAM的写操作与其它非易失性存储器的写操作相比，速度要快得多，而且功耗小。五、FRAM与其它存储技术比较FRAM与E2PROMFRAM与SRAM从速度、价格及使用方便来看SRAM优于FRAM，但是从整个设计来看，FRAM还有一定的优势。非易失性的FRAM可以保存启动程序和配置信息。如果应用中所有存储器的最大访问速度是70ns，那么可以使用一片FRAM完成这个系统，使系统结构更加简单。FRAM可以作为E2PROM的第二种选择，它除了E2PROM的性能外，访问速度要快得多。但是决定使用FRAM之前，必须确定系统中一旦超出对FRAM的100亿次访问之后绝对不会有危险。，它使用十分方便而且越来越便宜。程序存储器必须是非易失性的并且要相对低廉，且比较容易改写，而使用FRAM会受访问次数的限制。DRAM适用于那些密度和价格比速度更重要的场合。例如DRAM是图形显示存储器的最佳选择，有大量的像素需要存储，而恢复时间并不是很重要。如果不需要下次开机时保存上次内容，使用易失性的DRAM存储器就可以。DRAM的作用与成本是FRAM无法比拟的，事实证明，DRAM不是FRAM所能取代的。六、FRAM的用途的用途仪表电表、水表、汽表、流量表、邮资表。汽车安全气袋、车身控制系统、车载收音机、匀速控制、车载DVD、引擎、娱乐设备、仪器簇、传动系、保险装置、遥感勘测/导航系统、自动收费系统。通讯移动通讯发射站、数据记录仪、电话、收音机、电信、可携式GPS。消费性电子产品家电、机顶盒、等离子液晶屏电视。的用途计算机办公设备、雷达系统、网络附属存储、电子式电脑切换器。工业、科技、医疗工业自动控制、电梯、酒店门锁、掌上操作仪器、医疗仪器、发动机控制。其他自动提款机、照相机、游戏机、POS功能机、自动售货。七、FRAM存在的问题铁电薄膜的疲劳问题铁电极化的保持力问题铁电薄膜与衬底及电极之间的界面态问题铁电薄膜的漏电流问题铁电存储器与传统的半导体存储器相比有许多突出的优点，其应用前景十分诱人，但也存在很多问题：尺寸效应LOGO