FeRAM铁电存储器魏双

1、铁电随机存取存储器(FeRAM)5103班 魏双结构原理结构原理 制造工艺制造工艺特性应用特性应用目录目录发展概况发展概况结构原理FeRAM(Ferroelectric RAM)是一种随机存取存储器技术。但因为它使用了一层有铁电性的材料，取代原有的介电质，使得它也拥有非挥发性内存的功能。它以铁电物质为原材料，将微小的铁电晶体集成进电容内，通过施加电场，铁电晶体的电极在两个稳定的状态之间转换，实现数据的写入与读取。每个方向都是稳定的，即使在电场撤除后仍然保持不变，因此能将数据保存在存储扇区而无需定期更新。FeRAM的写入次数可以高达1014次和10年的数据保存能力。在重写某个存储单元之前，FeR

2、AM不必擦拭整个扇区，因此数据读写速度也略胜一筹。此外，FeRAM的低工作电压能够降低功耗，这对移动设备来说具有非常大的吸引力。结构原理铁电存储器器件结构目前铁电存储器最常见的器件结构是Planar (平面式)和Stack(堆叠式)结构，两者的区别在于铁电电容的位置和电容与MOS管互连的方式。在平面式结构中，将电容置于场氧上面，通过金属铝，将电容上电极和MOS管有源区相连，工艺相对简单，但单元面积较大；而在堆叠式结构中，将电容置于有源区，通过塞子(Plug)将电容下电极和MOS管源端相连，需要CMP工艺，集成密度较高。另外，堆叠式结构可以采用铁电电容制作在金属线上的做法，从而减少铁电电容在形成

3、过程中对工艺的相互影响。结构原理铁电存储器工作原理FeRAM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。这是由于晶体的中间层是一个高能阶，中心原子在没有获得外部能量时不能越过高能阶到达另一稳定位置，因此FeRAM保持数据不需要电压，也不需要像DRAM一样周期性刷新。由于铁电效应是铁电晶体所固有的一种偏振极化特性，与电磁作用无关，所以FeRAM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

4、存储特性。制造工艺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的方法完成铁电存储器的制造。特点FeRAM具有快速写入、高耐久性、低功耗的特性，以下列举了FeRAM在一些领域中与其他存储器相比的主要优势：频繁掉电环境任何非易失性存储器可以保留配置。可是，配置更改或电源失效情况随时可能发生，因此，更高写入耐性的FeRAM允许无限的变更记录。任何时间系统状态改变，都将写入新的状态。这样可以在电源关闭可用的时间很短或立即失效时状态被写入存储器。高噪声环境在嘈杂的环境下向EEPROM写数据是很困难的。在剧烈的噪音或功率波动情况下，E

5、EPROM的写入时间过长会出现漏洞（以毫秒衡量），在此期间写入可能被中断。错误的概率跟窗口的大小成正比。FeRAM的写入执行窗口少于200ns。特点射频识别系统在非接触式存储器领域里，FeRAM提供一个理想的解决方案。低功耗访问在射频识别系统中至关重要，因为能源消耗是以距离成指数下降的。想要以最小的能耗读写标签数据就必须保持标签有足够近的距离。通过对射频发射机和接收机改进写入距离，降低运动的灵敏性以及降低射频功率需求，使需要写入的应用获得优势。诊断和维护系统在一个复杂的系统里，记录系统失效时的操作历史和系统状态是非常宝贵的。如果没有这些数据，能够准确的解决或执行需求指令是很困难的。由于FeRA

6、M具备高耐久性的特点，可以生成一个理想的系统日志。从计算机工作站到工业过程控制等的系统，都能从FeRAM中获益 应用一、数据采集与记录 FeRAM可以让设计者更快、更频繁地将数据写入非易失性存储器，而且价格比EEPROM低。数据采集通常包括采集和存储两部分，系统所采集的数据需要在掉电后能够保存，这些功能是数据采集系统或子系统所具有的基本功能。在大多数情况下，一些历史记录是很重要的。典型应用：仪表 (电表、气表、水表、流量表)、RF/ID、仪器、和汽车黑匣子、安全气袋、GPS定位系统、电力电网监控系统。 应用二、参数设置与存储 FeRAM通过实时存储数据帮助系统设计者解决了突然断电数据丢失的问题

7、。参数存储用于跟踪系统在过去时间内的改变，它的目的包括在上电状态时恢复系统状态或者确认一个系统错误。总的来说，数据采集是系统或子系统的功能，不论何种系统类型，设置参数存储都是一种底层的系统功能。典型应用： 影印机,打印机,工业控制,机顶盒,网络设备和大型家用电器 应用三、非易失性缓冲 铁电存贮器（FeRAM）可以在其它存储器之前快速存储数据。在此情况下，信息从一个子系统非实时地传送到另一个子系统去。由于资料的重要性, 缓冲区内的数据在掉电时不能丢失，在某些情况下，目标系统是一个较大容量的存储装置。FeRAM以其擦写速度快、擦写次数多使数据在传送之前得到存储。典型应用：工业系统、银行自动提款机

8、(ATM), 税控机, 商业结算系统 (POS), 传真机，未来将应用于硬盘非易失性高速缓冲存储器。发展概况Ramtron公司是最早成功制造出FeRAM的厂商。在1995年开发出46kbit的并行和串行结构的FeRAM产品，该公司推出高集成度的FM31系列器件，可以用于汽车电子、消费电子、通信、工业控制、仪表和计算机等领域。TOSHIBA公司与INFINEON公司2003年合作开发出存储容量达到32M的FeRAM，该FeRAM采用单管单电容(1T1C)的单元结构和0.2mm工艺制造，存取时间为50ns，循环周期为75ns，工作电压为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工艺大批量制造的FeRAM嵌入式系统芯片，这种产品整合了多种新颖的技术，包括采用了独特的无氢损单元和堆叠结构，将存储单元的尺寸减小为原来的