1、FRAM-Ferroelectric RAM 铁电存储器铁电存储器报告人：张志祥 背景介绍背景介绍 现有闪存和EEPROM存储器都是采用浮动栅技术，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。存储器存储器 动态存储器静态存储器易失性存储器弱点非易失性存储器写入数据困难常见的存储器的分类F-RAMEEPROMFlash一、背景介绍一、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
2、储器FRAM产品，目前所有的FRAM产品均由Ramtron公司制造或授权。铁电的原理铁电的原理 铁电存储器采用人工合成的锆钛酸铅Pb(Zr,Ti)O3(PZT)材料形成存储器结晶体。在外电场作用下时，在铁电晶体中位于晶胞中心的Ti（或Zr）原子，会向上或向下产生物理偏移，撤掉外电场后，仍表现出一定的电极性，铁电存储器就是利用这两个稳定态来代表数字逻辑中的“1”和“0”，从而来存储信息二、二、FRAM原理及特点原理及特点 写入方法与DRAM稍有不同。DRAM利用电容器中有无电荷记录数据，因此使用名为位线的布线单向加压。而FeRAM由于必须双向加压，因此除位线以外，还添加了名为板线的线路。写入“1
3、”时，由板线向位线加压。写入“0”时则反过来由位线向板线加压。读取方法也不同于DRAM。DRAM根据电容器中有无电荷判定“1”或“0”。而FeRAM则不能直接读出电容器的状态。因此读取时通过强行写入“1”，来判定“0”还是“1”。数据为1时由于状态不变，因此电荷移动少。而数据为0时由于状态发生反转，因此会产生大的电荷移动。利用这种电荷差判定1和0，FeRAM在读取时也进行写入动作。但是在铁电电容中反复写入会使之加速老化。也就是说不仅是写入时，读取时FeRAM也会产生老化，并且FeRAM在读取时与DRAM一样，是破坏性读取，所以也需要像DRAM那样进行回写操作 FRAM的读操作的读操作 FRAM
4、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和施加的电场方向后使中心原子达到的位置相同，则中心原子不会移动；若不相同，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”。FRAM原理及特点原理及特点 FRAM超级省电，保持数据不需要电压,能耗仅为EEPROM的1/3000 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写入速度
5、非常快，可以跟随总线速度写入，是现在常见的EEPROM的500倍，而且能够像RAM一样方便的操作，写入的次数可以无限次，而不存在如E2PROM的写入次数有限的问题。铁电存储器成品图五、五、FRAM与其它存储技术比较与其它存储技术比较 FRAM与E2PROM FRAM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
6、快得多。F-RAM F-RAM 优势优势F-RAM优于浮栅技术器件的三种不同的特性：快速写入 高耐久性 低功耗以下列举了F-RAM在一些行业应用领域中与其他存储器相比较的主要优势：频繁掉电环境频繁掉电环境任何非易失性存储器都可以保留配置。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F-RAM允许无任何限制的变更记录。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后可用的时间很短或立即失效的时状态下，将有用数据写入存储器。在汽车导航上的应用在汽车导航上的应用 GPS GPS导航和位置服务也是如此。现在的汽车导航仪能提供交通位置信息和天气预报已不是什么新鲜事，人们更希
7、望在GPS导航仪上看见周边的环境信息，比如酒店、餐厅、旅游景点和加油站等。由于汽车的速度一般很快，因此需要极高写入速度和擦写次数的非易失性存储器，这一性能要求只有F-RAM才能实现，其它其它种类非易失性存储器不是满足不了这一要求，就是满足不了那一要求F-RAM可以实时更新道路位置信息 在非接触式存储器领域里，F-RAM提供一个理想的解决方案。低功耗访问在RFID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。如图所示，简单示意了FRAM在距离读写器3米时，可在射频功率较低的情况下实现读写，而EEPROM却无法写入 各种存储器的最大识
8、别距离各种存储器的最大识别距离汽车自动收费站原理图在非接触式存储器领域里的应用在汽车黑匣子中的应用存储的数据 历史数据存储器 实时数据存储器（在掉电时数据能保存）基于NVRAM的存储方案基于SRAM和EEPROM的存储方案图3 基于FRAM的存储方案在汽车黑匣子中的运用在黑匣子中的应用在黑匣子中的应用 在发生意外事故时，要求在极短时间里将汽车物理位置信息写入黑匣子，万一发生交通事故，精确的位置信息可以帮助事主或保险公司更快地厘清责任和结束争吵。如采用EEPROM，事故发生时记录下来的物理位置信息很可能只是事故发生前几秒钟的位置，这对事故赔偿谈判是非常不利的。因此，现在几乎所有的高档汽车气囊系统
9、都采用F-RAM，因为无论在任何环境下，它的高可靠性都能确保它精确地记录下汽车每分每秒的准确位置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。FRAM的用途的用途 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
10、机、游戏机、POS功能机、自动售货。七、七、FRAM需要的问题需要的问题 铁电薄膜的疲劳和动态压印的问题 铁电极化的保持力问题 找到更环保的材料来替代现在的主流的PZT材料 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：v PZT是研究最多、使用最广泛的，它的优点是能够在是研究最多、使用最广泛的，它的优点是能够在较低的温度下制备，可以用溅射和较低的温度下制备，可以用溅射和MOCVD的方法来的方法来制备，具有剩余极化较大、原材料便宜、晶化温度较制备，具有剩余极化较大、原材料便宜、晶化温度较低的优点；缺点是有疲劳退化问题，还有含铅会对环低的优点；缺点是有
11、疲劳退化问题，还有含铅会对环境造成污染。境造成污染。v SBT最大的优点是没有疲劳退化的问题，而且不含铅最大的优点是没有疲劳退化的问题，而且不含铅，符合欧盟环境标准；但是它的缺点是工艺温度较高，符合欧盟环境标准；但是它的缺点是工艺温度较高，使之工艺集成难度增大，剩余极化程度较小。，使之工艺集成难度增大，剩余极化程度较小。v 目前从环境保护的角度来说，目前从环境保护的角度来说，PZT已经被禁止使用了已经被禁止使用了，但是从铁电存储器的性能和工艺集成的难易和成本，但是从铁电存储器的性能和工艺集成的难易和成本的角度来说，的角度来说，SBT与与PZT相比没有优势，因此目前相比没有优势，因此目前关于铁电材料的选择还值得探讨。关于铁电材料的选择还值得探讨。Thanks
