鐵電隨機存取存儲器 (FeRAM / FRAM) 技術

隨著計算機技術的進步，對非易失性存儲器的需求越來越大，其讀寫速度要求越來越快，功耗也越來越符合用戶的要求。但傳統的非易失性存儲器如 EEPROM、FLASH 等已經難以滿足這些需求。

傳統的主流半導體存儲器可分為易失性和非易失性兩大類。易失性存儲器包括靜態隨機存取存儲器（SRAM）和動態隨機存取存儲器（DRAM）。SRAM 和 DRAM 在斷電時都會丟失保存的數據。雖然 RAM 易于使用且性能良好，但它的一大缺點是數據丟失。

非易失性存儲器在斷電的情況下不會丟失存儲的數據，因為所有主流的非易失性存儲器都源自只讀存儲器（ROM）技術。ROM，所謂的只讀存儲器，絕對不容易寫，其實根本就寫不出來。ROM技術開發的所有存儲器都難以寫入數據，包括EPROM、EEPROM和Flash。而且這些存儲器不僅寫入速度慢，而且只能擦除和寫入有限的次數。

鐵電存儲器是一種基于半導體技術改進的新型存儲器，具有一些獨特的特性。鐵電存儲器兼容RAM的所有功能，是一種類似于ROM的非易失性存儲器。換句話說，鐵電存儲器彌補了這兩種存儲類型之間的差距，一種非易失性 RAM。與傳統的非易失性存儲器相比，它以其功耗低、讀寫速度快、抗輻照能力強等優點備受關注。

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鐵電存儲器 (FeRAM)

鐵電存儲器 ( FRAM )，也稱為F-RAM或FeRAM，是一種讀寫速度快的隨機存取存儲器，結合了斷電后數據保留的能力（如只讀存儲器和閃存），是個人電腦最常用的類型記憶。由于它不像動態隨機存取存儲器 (DRAM) 和靜態隨機存取存儲器 (SRAM) 那樣密集，也就是說，它無法在相同的空間中存儲盡可能多的數據。換句話說，它無法取代 DRAM 和 SRAM 技術。然而，因為它可以在非常低的功率條件下快速存儲數據，所以它被廣泛用于消費者的小型設備，如個人數字助理 (PDA)、移動電話、電表、智能卡和安全系統。FRAM 的讀寫速度比閃存快。在某些應用中，

FeRAM或鐵電 RAM 似乎表明內存中存在鐵元素，但實際上并非如此。鐵電體是一種包含可以自發極化的晶體的材料。它有兩種狀態，可以通過外部電場逆轉。當對鐵電晶體施加電場時，中心原子沿電場方向在晶體中移動。當一個原子移動時，它會穿過一個能壘，導致電荷擊穿。內部電路對電荷擊穿作出反應并設置存儲器。去除電場后，中心原子保持極化狀態，使材料具有非易失性，因此保持了存儲器的狀態。因為整個物理過程沒有原子碰撞，

因此，在外加電場作用下，鐵電材料的極化特性會發生變化。當這個電場被移除時，數據仍然可以被保存。在沒有外加電場的情況下，極化特性有兩種穩定狀態。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下的不同極性。其中，最重要的兩個參數是剩余極化程度Pr和矯頑場Ec。在沒有電場效應的情況下，+/-Pr 代表“0”和“1”兩種狀態。要獲得這兩種狀態，所施加的電場必須大于+/- Ec，此時還確定了所需的閾值電壓。

圖 1. 鐵電磁滯回路

業界探索鐵電材料在 DRAM 中的應用：將它們用作 DRAM 電容器中的介電材料。即在標準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穩定極化狀態也會改變晶體管的閾值電壓。因此，二進制狀態被編碼在晶體管的閾值電壓中。存儲單元的寫操作可以通過在晶體管的柵極上施加脈沖來完成，這會改變鐵電材料的極化狀態并影響閾值電壓。例如，施加正脈沖將降低閾值電壓，使晶體管處于“導通”狀態。讀數是通過測量漏極電流來完成的。這種存儲模式類似于NAND閃存的工作模式：從浮柵注入和抽出電子，從而調整晶體管的閾值電壓。

相比之下，鐵電電容器的漏電流系數不如傳統的非易失性存儲器如 EEPROM 和 FLASH 重要，因為 FeRAM 的信息存儲是通過極化實現的，而不是自由電子。

理想的鐵電材料需要滿足以下特性：

• 介電常數小

• 合理的自極化度（~5μC/cm2）

• 居里溫度高（超出器件的存儲和工作溫度范圍）

• 鐵電材料的厚度應該很薄（亞微米），以使矯頑場EC 更小。

• 鐵電材料應具有一定的擊穿場強。

• 內部切換速度要快（納秒級）

• 數據保持能力和持久能力會很好。

• 如果用于軍隊，還要求能夠抵抗輻射照射。

• 良好的化學穩定性

• 加工均勻性好

• 易于集成到 CMOS 工藝中

• 對周圍電路無不良影響

• 小污染

經過多年的研發，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。這兩種材料的結構如圖2所示。

圖 2. PZT 和 SBT 材料結構示意圖

PZT是研究最多和應用最廣泛的。它的優點是可以通過濺射和 MOCVD 在較低溫度下制造。具有剩余極化大、原料便宜、結晶溫度低等優點。它的缺點是疲勞退化問題，并導致對環境的污染。此外，這些材料的薄膜沉積過程已被證明是非常具有挑戰性的。同時，這些材料極高的介電常數（約 300）是它們集成到晶體管中的一大障礙。

此外，科學家們還發現在不太復雜的材料氧化鉿 (HfO 2 ) 中存在鐵電相，這引發了新的存儲概念。研究人員發現，可以通過將硅 (Si) 摻雜到 HfO 2 中來穩定鐵電相。與PZT相比，HfO 2 具有較低的介電常數，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，科學家們熟悉 HfO 2，因為它是邏輯器件 HKMG 中的 HK 柵極氧化物材料。通過修改這種 CMOS 兼容材料，邏輯晶體管可以變成非易失性 FeFET 存儲晶體管。

FeFET 的功能驗證已在二維平面架構中實現。同時，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 結構帶來的一些挑戰。一項挑戰與 HfO 2的多晶性質有關。縮放 HfO 2 膜的厚度將顯著減少該層中的晶粒數量。由于并非所有晶粒的極化方向都相同，晶粒的減少會影響晶體管對外電場響應的一致性，最終導致管子之間出現較大的差異。通過 3D 堆疊，這個缺點在物理領域得到了克服。也就是說，HfO 2 不需要被壓縮得太薄，從而減少管與管之間的差異。

預計這些垂直 FeFET 比復雜的 3D NAND 閃存具有更多優勢，包括工藝簡單、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行編程，從而提高了存儲器的可靠性和可擴展性。

SBT最大的優點是不存在疲勞退化的問題，而且不含鉛，符合歐盟環保標準；但其缺點是工藝溫度較高，工藝集成困難，殘余極化程度小。兩種材料的比較見表1。

表 1. PZT 和 SBT 的比較

目前，從環保的角度來看，PZT已經被禁用，但從鐵電存儲器的性能和工藝集成以及成本的角度來看，SBT相比PZT沒有優勢。因此，鐵電材料的選擇值得探討。

鐵電存儲器的電路結構主要分為以下三種：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結構的每一位都有兩個相對的電容作為參考，所以可靠性更好，但占用空間太大，不適合高密度應用。晶體管/單電容結構可以像DRAM一樣為存儲陣列的每一列提供參考，與現有的2T2C結構相比，它們有效地將存儲單元所需的空間減少了一半。這種設計大大提高了鐵電存儲器的效率，降低了鐵電存儲器產品的生產成本。1T1C結構具有更高的集成密度（8F2），但其可靠性較差。而1T2C結構是這兩種結構的折中。

圖 3. 三種 FRAM 結構

目前，為了獲得高密度的內存，多采用1T1C結構（如圖4所示）。此外，還采用了鏈式結構，從而制成了Chain FeRAM。這種結構類似于NAND結構。通過這種方式，可以獲得比1T1C更高的存儲密度，但是這種方式也會大大增加存取時間。鏈式 FeRAM（CFeRAM）結構如圖 5 所示。

圖 4. 1T1C 布局

圖 5. 鏈式 FeRAM (CFeRAM) 電路結構

根據電子存儲單元的極性，小電荷量為“0”，大電荷量為“1”。該電荷被轉換為讀取電壓，小于參考電壓時為“0”，大于參考電壓時為“1”。存儲的信息被讀出，如圖 6 所示。

圖 6. FRAM 的讀寫過程

在讀取過程中，字線電壓升高，使MOS管導通，驅動線電壓升高為VCC，使存儲電容的不同電荷分布到位線寄生電容上，從而出現不同的電壓在 BL 上識別數據。在寫過程中，字線升高，使MOS管導通，同時給驅動線施加一個脈沖，使位線上的不同數據存儲在鐵電電容的兩種不同穩態中。

通過加一個正電壓或一個負電壓，這兩個電壓可以使電容器變成兩種不同的極性。這樣，信息就寫入了內存。

目前，鐵電存儲器最常見的器件結構是平面結構和堆疊結構。兩者的區別在于干式鐵電電容的位置和電容與MOS管的連接方式。在平面結構中，電容放置在場氧化物上方，電容的電極通過金屬鋁連接到MOS管的有源區。工藝比較簡單，但單位間距大。在堆疊結構中，電容放置在源區，電容的下電極通過基于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，堆疊結構可以采用在金屬線上制作鐵電電容器的方法，從而減少形成過程中的相互影響。下面兩種結構的示意圖如圖7和圖8所示。

圖 7. 平面結構

圖 8. 堆棧結構

平面結構的工藝比較簡單。隔離采用LOCOS結構，平坦化不需要CMP。堆疊結構基于先進技術集成度高，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構。這樣的設備可以消除數據讀出的破壞性問題，理論上更節省空間，可以做更大的集成。但是，這種結構仍然存在嚴重的問題，即數據存儲能力很差，只有一個月或更短的時間，遠不實用。圖9是這種結構的示意圖。

圖 9. FeFET 結構圖

目前，鐵電存儲器一般采用線寬大于0.5μm的平面結構，線寬小于0.5μm時一般采用堆疊結構。

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 兼容傳統的 24xx 和 25xx E2PROM 引腳和時序，可直接替換。

FRAM產品兼有RAM和ROM的優點，讀寫速度快，另外還可以作為非易失性存儲器使用。由于鐵電晶體的缺點，訪問次數是有限的，超過這個數量 FRAM 不再是非易失性的。給出的最大訪問次數是 100 億次，但這并不意味著超過這個上限就會報廢 FRAM。就其而言，FRAM 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 的第二個選項。除了 E2PROM 的性能外，FRAM 訪問速度要快得多。在使用 FRAM 時，必須確定一旦系統中有 100 億次訪問下降到 FRAM，就沒有損壞。

• FRAM 與 SRAM

在速度、價格和便利性方面，SRAM 優于 FRAM；但從整個設計來看，FRAM 具有一定的優勢。

非易失性 FRAM 可以保存啟動程序和配置信息。如果應用中所有存儲器的最大訪問速度為70ns，可以使用一塊FRAM來完成系統，使系統結構更加簡單。

• FRAM 與 DRAM

DRAM 適用于密度和價格比訪問速度更重要的應用。例如，DRAM 是圖形顯示內存的最佳選擇。有大量的像素需要存儲，恢復時間不是很重要。如果下次啟動時不需要保存最后的內容，請使用易失性 DRAM 內存。DRAM的作用和成本相比FRAM是合理的。總之，事實證明DRAM不能完全被FRAM取代。

• FRAM 與閃存

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

• 數據收集和記錄

FeRAM 使設計人員能夠以比 EEPROM 更低的價格更快、更頻繁地寫入數據。

典型應用：儀表（電表、氣表、水表、流量計）、RF/ID儀器、汽車黑匣子、安全氣囊、GPS、電網監控系統等。

• 參數設置和存儲

FeRAM 通過實時存儲數據，幫助設計人員解決因突然斷電而導致數據丟失的問題。FeRAM 中的參數存儲用于跟蹤系統過去時間的變化。其目的包括恢復系統狀態或在通電時確認系統錯誤。

典型應用：復印機、打印機、工業控制、機頂盒、網絡設備和大型家用電器。

• 非易失性緩沖液

FeRAM 可以在數據存儲到其他內存之前快速存儲數據，從而在斷電時不會丟失緩沖區中的數據。

典型應用：工業系統、ATM柜員機、稅控機、商業結算系統（POS）、傳真機、硬盤中的非易失性緩存等。

鐵電存儲器是一種新興的非易失性存儲器。起步較早，實現了產業化。由于其功耗低、讀寫速度快、抗輻照能力強等優點，對于低功耗、抗輻射的小規模存儲區有市場。具有抗輻射特性，在電磁波或輻射的情況下，數據仍然安全，因此在空間科學、醫學等特定領域具有重要應用。但是，鐵電存儲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。因此需要進一步的研究和解決。

FRAM 有什么用？

鐵電 RAM是一種隨機存取存儲器，其結構類似于 DRAM，但使用鐵電層而不是介電層來實現非易失性。它是越來越多的替代非易失性隨機存取存儲器技術之一，可提供與閃存相同的功能。FRAM可用于許多領域，例如，具有超低功耗，非常適用于智能水表、燃氣表等。

鐵電RAM常見問題

1.什么是FRAM內存？
鐵電 RAM（FeRAM、F-RAM 或 FRAM）是一種結構類似于 DRAM 的隨機存取存儲器，但使用鐵電層而不是介電層來實現非易失性。

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

3. FRAM 是如何工作的？
FRAM 是一種非易失性存儲器，即使在斷電后仍能保留其數據。但是，類似于個人計算機、工作站和非手持游戲控制臺中常用的 DRAM（動態隨機存取存儲器），FRAM 需要在每次讀取后進行內存恢復。

4. FRAM有什么獨特的特點？
FRAM兼具ROM（只讀存儲器）和RAM（隨機存取存儲器）的特點，具有寫入速度快、讀寫循環耐久性強、功耗低等特點。

5. Feram 中的讀寫操作是什么？
鐵電隨機存取存儲器 (FRAM)
中的寫操作與讀操作類似，預充電操作在寫訪問之后進行。該電路將“寫入”數據應用于鐵電電容器。如有必要，新數據會簡單地切換鐵電晶體的狀態。