铁电存储器

    铁电存储器（ＦＲＡＭ）能兼容ＲＡＭ的一切功能，并且和ＲＯＭ技术一样，是一种非易失性的存储器。铁电存储器在这两类存储类型间搭起了一座跨越沟壑的桥梁——一种非易失性的ＲＡＭ。
    相对于其它类型的半导体技术而言，铁电存储器具有一些独一无二的特性。传统的主流半导体存储器可以分为两类－－易失性和非易失性。易失性的存储器包括静态存储器ＳＲＡＭ和动态存储器ＤＲＡＭ。ＳＲＡＭ和ＤＲＡＭ在掉电的时候均会失去保存的数据。ＲＡＭ类型的存储器易于使用、性能好，可是它们同样会在掉电的情况下会失去所保存的数据。
    非易失性存储器在掉电的情况下并不会丢失所存储的数据。然而所有的主流的非易失性存储器均源自于只读存储器（ＲＯＭ）技术。正如你所猜想的一样，被称为只读存储器的东西肯定不容易进行写入操作，而事实上是根本不能写入。所有由ＲＯＭ技术研发出的存储器则都具有写入信息困难的特点。这些技术包括有ＥＰＲＯＭ（几乎已经废止）、ＥＥＰＲＯＭ和Ｆｌａｓｈ。这些存储器不仅写入速度慢，而且只能有限次的擦写，写入时功耗大。
    铁电存储器能兼容ＲＡＭ的一切功能，并且和ＲＯＭ技术一样，是一种非易失性的存储器。铁电存储器在这两类存储类型间搭起了一座跨越沟壑的桥梁－－一种非易失性的ＲＡＭ。
    当一个电场被加到铁时，中心原子顺着电场的方向在晶体里移动。当原子移动时，它通过一个能量壁垒，从而引起电荷击穿。内部电路感应到电荷击穿并设置存储器。移去电场后，中心原子保持不动，存储器的状态也得以保存。铁电存储器不需要定时更新，掉电后数据能够继续保存，速度快而且不容易写坏。
    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。
    Ｒａｍｔｒｏｎ公司的铁电存储器技术到现在已经相当的成熟。最初的铁电存储器采用两晶体管／两电容器（２Ｔ／２Ｃ）的结构，导致元件体积相对过大。最近随着铁电材料和制造工艺的发展，在铁电存储器的每一单元内都不再需要配置标准电容器。Ｒａｍｔｒｏｎ新的单晶体管／单电容器结构可以像ＤＲＡＭ一样，使用单电容器为存储器阵列的每一列提供参考。与现有的２Ｔ／２Ｃ结构相比，它有效的把内存单元所需要的面积减少一半。新的设计极大的提高了铁电存储器的效率，降低了铁电存储器产品的生产成本。
    Ｒａｍｔｒｏｎ公司同样也通过转向更小的技术节点来提高铁电存储器各单元的成本效率。最近采用的０．３５微米的制造工艺相对于前一代０．５微米的制造工艺，极大的降低了芯片的功耗，提高了单个晶元的利用率。
    所有这些令人振奋发展使铁电存储器在人们日常生活的各个领域广为应用。从办公室复印机、高档服务器到汽车安全气囊和娱乐设施，铁电存储器不断改进性能在世界范围内得到广泛的应用。

    首先要说明的是铁电存储器和浮动栅存储器的技术差异。现有闪存和E都是采用浮动栅技术，浮动栅存储单元包含一个电隔离门，浮动栅位于标准控制栅的下面及通道层的上面。浮动栅是由一个导电材料，通常是多芯片硅层形成的 (如图2所示)。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。但是浮动栅技术需使用电荷泵来产生高电压，迫使电流通过栅氧化层而达到擦除的功能，因此需要5-10ms的擦写延迟。高写入功率和长期的写操作会破坏浮动栅存储单元，从而造成有限的擦写存储次数（例如：闪存约十万次，而EEPROM则约1百万次)。
    铁电存储器是一种特殊工艺的非易失性的存储器，是采用人工合成的铅锆钛(PZT) 材料形成存储器结晶体，如图3所示。当一个电场被施加到铁晶体管时，中心原子顺着电场停在低能量状态I位置，反之，当电场反转被施加到同一铁晶体管时，中心原子顺着电场的方向在晶体里移动并停在另一低能量状态II。大量中心原子在晶体单胞中移动耦合形成铁电畴，铁电畴在电场作用下形成极化电荷。铁电畴在电场下反转所形成的极化电荷较高，铁电畴在电场下无反转所形成的极化电荷较低，这种铁电材料的二元稳定状态使得铁电可以作为存储器。
    图1、电子电能表的基本电路方块图。
    图2、浮动栅存储单元
    图3、铁电存储器结晶单元。
    特别是当移去电场后，中心原子处于低能量状态保持不动，存储器的状态也得以保存不会消失，因此可利用铁电畴在电场下反转形成高极化电荷，或无反转形成低极化电荷来判别存储单元是在 ”1”或 “0” 状态。铁电畴的反转不需要高电场，仅用一般的工作电压就可以改变存储单元是在 ”1”或 “0” 的状态；也不需要电荷泵来产生高电压数据擦除，因而没有擦写延迟的现象。这种特性使铁电存储器在掉电后仍能够继续保存数据，写入速度快且具有无限次写入寿命，不容易写坏。所以，与闪存和EEPROM 等较早期的非易失性内存技术比较，铁电存储器具有更高的写入速度和更长的读写寿命。