铁电存储器介绍

一、什么是铁电存储器（F-RAM）

相对于其它类型的半导体技术而言，铁电随机存储器（F-RAM）具有一些独一无二的特性。已经确定的半导体存储器可以分为两类：易失性和非易失性。易失性存储器包括静态随机存取存储器（SRAM）和动态随机存取存储器（DRAM）以及其他类型存储器。RAM类型存储器易于使用，高性能，但它们有着共同的弱点：在掉电的情况下会失去所保存的数据。

F-RAM芯片技术采用一种锆钛酸铅[Pb(Zr,Ti)O3，简称为PZT的铁电薄膜材料，该铁电材料的晶体微结构如图1所示。在铁电晶体中位于晶胞中心的Ti（或Zr）原子在外电场作用下，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。与传统RAM器件不同，F-RAM在电源被关闭或中断时，由于PZT 晶体具有剩余极化的特性，所以能够保留其所存储的数据。这种独特的性质使F-RAM成为一个低功耗、非易失性存储器。同时由于在离子辐照情况下，铁电电容所存储“1”和“0”时的两个态，很难被改变，所以具有很好的抗辐射性能。

图1 具有钙钛矿结构PZT薄膜结构图

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后完成铁电制造过程,器件结构如图2所示。

图2 铁电存储器存储单元剖面图

F-RAM、ROM都属于非易失性存储器，在掉电情况下数据不会丢失。新一代ROM，像EEPROM（可擦可编程只读存储器）和Flash存储器，可以被擦除，并多次重复编程，但它们需要高电压写入且写入速度非常慢。基于ROM技术的存储器读写周期有限（仅为1E5次），使

它们不适合高耐性工业应用。

F-RAM比一般串口EEPROM器件有超过10,000倍的耐性，低于3,000倍的功耗和将近500倍的写入速度（图 3）,还有出色的抗干扰能力(包括抗伽玛射线)、极高的可靠性和工作寿命。

图3 写入速度比较（在 25 MHz频率下，F-RAM 写入速度比EEPROM器件快

488 倍）

总之，F-RAM结合了RAM和ROM的优势，与传统的非易失存储器相比，具有高速、低功耗、长寿命、高抗辐射的特点。

二、F-RAM 优势

F-RAM有三种不同的特性使其优于浮栅技术器件：

∙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

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。

⏹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，EEPROM的写入时间过长会出现遗漏（以毫秒衡量），在此期间写入可能被中断，错误的概率跟写入时间的多小成正比。F-RAM的写入执行时间少于200ns。

⏹RFID系统

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。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（区域内的时间）以及降低射频（RF）功率需求，使需要写入的应用（i.e.借记卡，在生产工序中使用的标签）获得优势。如图4所示，该图简单示意了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。

图4 FRAM与EEPROM射频读写的比较示意图

⏹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F-RAM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不同的系统，都能从F-RAM 中获益。

F-RAM在哪里？

F-RAM无处不在！从消费打印墨盒，到最新的诊断医疗设备和汽车上的先进动力系统。

F-RAM的应用领域

✓在军事领域：替代EEPROM,SRAM,PROM等，具体应用见《*******技术引进报告》

✓汽车: F-RAM让汽车更具安全性和娱乐性

✓电脑相关: F-RAM帮助复印机、打印机和RAID系统运行无忧

✓仪表: F-RAM帮助世界各地节约能源

✓工业、科学和医疗: F-RAM可靠的非易失性设计，对于要处理一系列要求的智能产品是理想的应用。

✓无线存储器/RFID: MaxArias RFID无线解决方案，扩展您的覆盖和存储能力。