FeRAM

FeRAM(Ferroelectric RAM),縮寫為FeRAM或FRAM,類似於SDRAM，是一種隨機存取存儲器技術。但因為它使用了一層有鐵電性的材料，取代原有的介電質，使得它也擁有非揮發性記憶體的功能。 鐵電隨機存取記憶體是一個與電腦記憶體相關的小作品。

基本介紹

• 中文名：FeRAM
• 存取時間：50ns
• 循環周期：75ns
• 工作電壓：3.0V或2.5V

介紹

鐵電存儲器是一種在斷電時不會丟失內容的非易失存儲器，具有高速、高密度、低功耗和抗輻射等優點。 當前套用於存儲器的鐵電材料主要有鈣鈦礦結構系列，包括PbZr1-xTixO3，SrBi2Ti2O9和Bi4-xLaxTi3O12等。鐵電存儲器的存儲原理是基於鐵電材料的高介電常數和鐵電極化特性，按工作模式可以分為破壞性讀出(DRO)和非破壞性讀出(NDRO)。DRO模式是利用鐵電薄膜的電容效應，以鐵電薄膜電容取代常規的存儲電荷的電容，利用鐵電薄膜的極化反轉來實現數據的寫入與讀取。

鐵電隨機存取存儲器(FeRAM)就是基於DRO工作模式。這種破壞性的讀出後需重新寫入數據，所以FeRAM在信息讀取過程中伴隨著大量的擦除/重寫的操作。隨著不斷地極化反轉，此類FeRAM會發生疲勞失效等可靠性問題。目前，市場上的鐵電存儲器全部都是採用這種工作模式。NDRO模式存儲器以鐵電薄膜來替代MOSFET中的柵極二氧化矽層，通過柵極極化狀態(±Pr)實現對來自源—漏電流的調製，使它明顯增大或減小，根據源—漏電流的相對大小即可讀出所存儲的信息，而無需使柵極的極化狀態反轉，因此它的讀出方式是非破壞性的。基於NDRO工作模式的鐵電場效應電晶體(FFET)是一種比較理想的存儲方式。但迄今為止，這種鐵電存儲器尚處於實驗室研究階段，還不能達到實用程度。

Ramtron公司是最早成功製造出FeRAM的廠商。該公司剛推出高集成度的FM31系列器件，這些產品集成最新的FeRAM存儲器，可以用於汽車電子、消費電子、通信、工業控制、儀表和計算機等領域。TOSHIBA公司與INFINEON公司2003年合作開發出存儲容量達到32Mb的FeRAM，該FeRAM採用單管單電容(1T1C)的單元結構和0.2mm工藝製造，存取時間為50ns，循環周期為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採用0.18mm工藝大批量製造的FeRAM嵌入式系統晶片(SOC)。該公司新開發的這種產品整合了多種新穎的技術，包括採用了獨特的無氫損單元和堆疊結構，將存儲單元的尺寸減小為原來的十分之一;採用了厚度小於10nm(SrBi2Ti2O9)的超微鐵電電容，從而大幅減小了裸片的尺寸，擁有低功耗，工作電壓僅為1.1V。2003年初，Symetrix公司向Oki公司授權使用NDRO FeRAM技術，後者採用0.25mm工藝生產NDRO FeRAM。NDRO FeRAM是基於Symetrix稱為Trinion單元的新型技術，但是該公司沒有披露具體的細節。

FeRAM已成為存儲器家族中最有發展潛力的新成員之一。然而，FeRAM的批*者指出，當達到某個數量的讀周期之後FeRAM單元將失去耐久性，而且由陣列尺寸限制帶來的FeRAM成品率問題以及進一步提高存儲密度和可靠性等問題仍然亟待解決。

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磁性隨機存儲器(MRAM)

從原理上講，MRAM的設計是非常誘人的，它通過控制鐵磁體中的電子旋轉方向來達到改變讀取電流大小的目的，從而使其具備二進制數據存儲能力。理論上來說，鐵磁體是永久不會失效的，因此它的寫入次數也是無限的。在MRAM發展初期所使用的磁阻元件是被稱為巨磁阻(GMR)的結構，此結構由上下兩層磁性材料，中間夾著一層非磁性材料的金屬層所組成。由於GMR元件需較大電流成為無法突破的難點，因此無法達到高密度存儲器的要求。與GMR不同的另一種結構是磁性隧道結 (MTJ)，如圖1所示。MTJ與GMR元件的最大差異是隔開兩層磁性材料的是絕緣層而非金屬層。MTJ元件是由磁場調製上下兩層磁性層的磁化方向成為平行或反平行來建立兩個穩定狀態，在反平行狀態時通過此元件的電子會受到比較大的干擾，因此反映出較高的阻值;而在平行狀態時電子受到的干擾較小得到相對低的阻值。MTJ元件通過內部金屬導線所產生的磁場強度來改變不同的阻值狀態，並以此記錄“0”與“1”的信號。

MRAM當前面臨的主要技術挑戰就是磁致電阻太過微弱，兩個狀態之間的電阻只有30%~40%的差異，讀寫過程要識別出這種差異的話，還有一定的難度。不過，NVE公司於2003年11月宣布，其工程師研製成功迄今為止最高的自旋穿隧結磁阻(SDT)。該公司採用獨特材料，室溫下在兩個穩定狀態之間使穿隧磁阻變化超過70%。NVE已向包括Motorola公司在內的幾家致力商用化MRAM的公司授權使用其MRAM智慧財產權。

圖1 MTJ元件結構示意圖

IBM、Motorola和INFINEON等公司的MRAM樣品已紛紛出爐，預計2004-2005年MRAM的商用產品將陸續面市。2002年6月Motorola公司演示了第一片1Mb的MRAM晶片，據悉2003年10月該公司向其他公司推出了採用0.18mm工藝的4Mb MRAM樣片。TOSHIBA和NEC公司的聯合研究小組計畫採用0.25mm磁性隧道結與0.18mm工藝相結合的方式，希望在2005年實現256Mb MRAM的量產。INFINEON和IBM公司也在2003年6月聯合宣布，他們開發出的高速128Kb MRAM採用0.18mm工藝製作，為目前業界工藝尺寸最小的MRAM產品，有望從2005年開始逐步取代現有的存儲器，並獲得廣泛套用。

相變存儲器(OUM)

奧弗辛斯基(Stanford Ovshinsky)在1968年發表了第一篇關於非晶體相變的論文，創立了非晶體半導體學。一年以後，他首次描述了基於相變理論的存儲器：材料由非晶體狀態變成晶體，再變回非晶體的過程中，其非晶體和晶體狀態呈現不同的反光特性和電阻特性，因此可以利用非晶態和晶態分別代表“0”和“1”來存儲數據。後來，人們將這一學說稱為奧弗辛斯基電子效應。相變存儲器是基於奧弗辛斯基效應的元件，因此被命名為奧弗辛斯基電效應統一存儲器(OUM)，如圖2所示。從理論上來說，OUM的優點在於產品體積較小、成本低、可直接寫入(即在寫入資料時不需要將原有資料抹除)和製造簡單，只需在現有的CMOS工藝上增加2~4次掩膜工序就能製造出來。

OUM是世界頭號半導體晶片廠商Intel公司推崇的下一代非易失性、大容量存儲技術。Intel和該項技術的發明廠商Ovonyx 公司一起，正在進行技術完善和可製造性方面的研發工作。Intel公司在2001年7月就發布了0.18mm工藝的4Mb OUM測試晶片，該技術通過在一種硫化物上生成高低兩種不同的阻抗來存儲數據。2003年VLSI會議上，Samsung公司也報導研製成功以Ge2Sb2Te5(GST)為存儲介質，採用0.25mm工藝製備的小容量OUM，工作電壓在1.1V，進行了1.8x109 讀寫循環，在1.58x109循環後沒有出現疲勞現象。

圖2 OUM存儲單元結構示意圖

不過OUM的讀寫速度和次數不如FeRAM和MRAM，同時如何穩定維持其驅動溫度也是一個技術難題。2003年7月，Intel負責非易失性存儲器等技術開發的S.K.Lai還指出OUM的另一個問題：OUM的存儲單元雖小，但需要的外圍電路面積較大，因此晶片面積反而是OUM的一個頭疼問題。同時從目前來看，OUM的生產成本比Intel預想的要高得多，也成為阻礙其發展的瓶頸之一。