FeRAM鐵電存儲(chǔ)器魏雙

1、鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(FeRAM)5103班 魏雙結(jié)構(gòu)原理結(jié)構(gòu)原理 制造工藝制造工藝特性應(yīng)用特性應(yīng)用目錄目錄發(fā)展概況發(fā)展概況結(jié)構(gòu)原理FeRAM(Ferroelectric RAM)是一種隨機(jī)存取存儲(chǔ)器技術(shù)。但因?yàn)樗褂昧艘粚佑需F電性的材料，取代原有的介電質(zhì)，使得它也擁有非揮發(fā)性內(nèi)存的功能。它以鐵電物質(zhì)為原材料，將微小的鐵電晶體集成進(jìn)電容內(nèi)，通過施加電場(chǎng)，鐵電晶體的電極在兩個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的寫入與讀取。每個(gè)方向都是穩(wěn)定的，即使在電場(chǎng)撤除后仍然保持不變，因此能將數(shù)據(jù)保存在存儲(chǔ)扇區(qū)而無(wú)需定期更新。FeRAM的寫入次數(shù)可以高達(dá)1014次和10年的數(shù)據(jù)保存能力。在重寫某個(gè)存儲(chǔ)單元之前，F(xiàn)eR

2、AM不必擦拭整個(gè)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(duì)移動(dòng)設(shè)備來說具有非常大的吸引力。結(jié)構(gòu)原理鐵電存儲(chǔ)器器件結(jié)構(gòu)目前鐵電存儲(chǔ)器最常見的器件結(jié)構(gòu)是Planar (平面式)和Stack(堆疊式)結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)中，將電容置于場(chǎng)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(duì)簡(jiǎn)單，但單元面積較大；而在堆疊式結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(duì)工藝的相互影響。結(jié)構(gòu)原理鐵電存儲(chǔ)器工作原理FeRAM利用鐵電晶體的鐵電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，鐵電晶體的結(jié)構(gòu)如圖所示。鐵電效應(yīng)是指在鐵電晶體上施加一定的電場(chǎng)時(shí)，晶體中心原子在電場(chǎng)的作用下運(yùn)動(dòng)，并達(dá)到一種穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)電場(chǎng)從晶體移走后，中心原子會(huì)保持在原來的位置。這是由于晶體的中間層是一個(gè)高能階，中心原子在沒有獲得外部能量時(shí)不能越過高能階到達(dá)另一穩(wěn)定位置，因此FeRAM保持?jǐn)?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(yīng)是鐵電晶體所固有的一種偏振極化特性，與電磁作用無(wú)關(guān)，所以FeRAM存儲(chǔ)器的內(nèi)容不會(huì)受到外界條件（諸如磁場(chǎng)因素）的影響，能夠同普通ROM存儲(chǔ)器一樣使用，具有非易失性的

4、存儲(chǔ)特性。制造工藝鐵電存儲(chǔ)器技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)器的制造。特點(diǎn)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(lǐng)域中與其他存儲(chǔ)器相比的主要優(yōu)勢(shì)：頻繁掉電環(huán)境任何非易失性存儲(chǔ)器可以保留配置。可是，配置更改或電源失效情況隨時(shí)可能發(fā)生，因此，更高寫入耐性的FeRAM允許無(wú)限的變更記錄。任何時(shí)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(guān)閉可用的時(shí)間很短或立即失效時(shí)狀態(tài)被寫入存儲(chǔ)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(dòng)情況下，E

5、EPROM的寫入時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)出現(xiàn)漏洞（以毫秒衡量），在此期間寫入可能被中斷。錯(cuò)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(diǎn)射頻識(shí)別系統(tǒng)在非接觸式存儲(chǔ)器領(lǐng)域里，F(xiàn)eRAM提供一個(gè)理想的解決方案。低功耗訪問在射頻識(shí)別系統(tǒng)中至關(guān)重要，因?yàn)槟茉聪氖且跃嚯x成指數(shù)下降的。想要以最小的能耗讀寫標(biāo)簽數(shù)據(jù)就必須保持標(biāo)簽有足夠近的距離。通過對(duì)射頻發(fā)射機(jī)和接收機(jī)改進(jìn)寫入距離，降低運(yùn)動(dòng)的靈敏性以及降低射頻功率需求，使需要寫入的應(yīng)用獲得優(yōu)勢(shì)。診斷和維護(hù)系統(tǒng)在一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)里，記錄系統(tǒng)失效時(shí)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(zhǔn)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(diǎn)，可以生成一個(gè)理想的系統(tǒng)日志。從計(jì)算機(jī)工作站到工業(yè)過程控制等的系統(tǒng)，都能從FeRAM中獲益 應(yīng)用一、數(shù)據(jù)采集與記錄 FeRAM可以讓設(shè)計(jì)者更快、更頻繁地將數(shù)據(jù)寫入非易失性存儲(chǔ)器，而且價(jià)格比EEPROM低。數(shù)據(jù)采集通常包括采集和存儲(chǔ)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(yīng)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(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)。 應(yīng)用二、參數(shù)設(shè)置與存儲(chǔ) FeRAM通過實(shí)時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)者解決了突然斷電數(shù)據(jù)丟失的問題

7、。參數(shù)存儲(chǔ)用于跟蹤系統(tǒng)在過去時(shí)間內(nèi)的改變，它的目的包括在上電狀態(tài)時(shí)恢復(fù)系統(tǒng)狀態(tài)或者確認(rèn)一個(gè)系統(tǒng)錯(cuò)誤?？偟膩碚f，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(shè)置參數(shù)存儲(chǔ)都是一種底層的系統(tǒng)功能。典型應(yīng)用： 影印機(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 應(yīng)用三、非易失性緩沖 鐵電存貯器（FeRAM）可以在其它存儲(chǔ)器之前快速存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。在此情況下，信息從一個(gè)子系統(tǒng)非實(shí)時(shí)地傳送到另一個(gè)子系統(tǒng)去。由于資料的重要性, 緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)在掉電時(shí)不能丟失，在某些情況下，目標(biāo)系統(tǒng)是一個(gè)較大容量的存儲(chǔ)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(chǔ)。典型應(yīng)用：工業(yè)系統(tǒng)、銀行自動(dòng)提款機(jī)

8、(ATM), 稅控機(jī), 商業(yè)結(jié)算系統(tǒng) (POS), 傳真機(jī)，未來將應(yīng)用于硬盤非易失性高速緩沖存儲(chǔ)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(jié)構(gòu)的FeRAM產(chǎn)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(fèi)電子、通信、工業(yè)控制、儀表和計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域。TOSHIBA公司與INFINEON公司2003年合作開發(fā)出存儲(chǔ)容量達(dá)到32M的FeRAM，該FeRAM采用單管單電容(1T1C)的單元結(jié)構(gòu)和0.2mm工藝制造，存取時(shí)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(chǎn)品整合了多種新穎的技術(shù)，包括采用了獨(dú)特的無(wú)氫損單元和堆疊結(jié)構(gòu)，將存儲(chǔ)單元的尺寸減小為原來的