中英文文献翻译—铁电存储器的技术背景

铁电存储器的技术背景 概述

目前的存储器技术可以分为两种。第一种是非易失性存储器。传统上来说，他们被应用于只读存储器因为他们都有不易写入的特点。这些存储器均源于只读存储器(ROM)技术, 包括EPROM, EEPROM, and Flash EPROM。

第二种是易失性存储器。易失性存储器包括SRAM（静态存储器）和DRAM（动态存储器）。由于RAM 类型的存储器易于写入，因此它所保存的数据需要定时刷新。但由于用户易于写入这种RAM存储器，所以它是易失性。可是它们同样会在掉电的情况下会失去所保存的数据。

铁电存储器或是FRAM是一种比较完善的非易失性存储器。它是一种真正的非易失性存储器。FRAM存储器有易于写入和非易失性的优点，因此它能在断电情况下保存数据。FRAM产品可以保存数据达几千年。这种存储技术已经成为存储器的主流。这种存储技术可以简单的解释为对现在存储技术的概述。 什么是铁电存储器

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--易失性存储器和非易失性存储器。易失性存储器包括静态存储器SRAM（static random access memory)和动态存储器DRAM （dynamic random access memory)。 SRAM和DRAM在掉电时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 (几乎已经停用）、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。

基于RAM随机存储器的FRAM是利用铁电晶体的铁电效应实现数据存储。这是与其他非易失性存储器完全不同的机制，它是漂浮的门技术。铁电效应是铁电晶体所固有的一种偏振极化特性，与电磁作用无关。

当一个电场被加到铁电晶体材料时，铁电存储器中的原子产生于电容器的两个电极板之间。这种电容器的构成与动态的随机存储器非常相似。不同的是存储数据不需向动态的随机存储器那样需要进行数据刷新，它是利用晶体机制进行数据存储的。这种晶体中心原子包含两种稳定状态：“0”状态和“1”状态。

由于它的基于随机存取储存器而设计的，因此它的读操作和写操作都很容易。但它和动态的随机存储器又有所不同，数据的存储状态是稳定的。因此，铁电存储器不需周期性刷新，即使在掉电的条件下，FRAM仍能保存数据。

许多人都误解铁电这个名字, 一个名字使用前缀\似乎暗示铁或磁性。铁电这个词也容易让人联想到铁磁。事实上，铁电存储器并没有用到铁或磁性的原理。他并没有受到外部磁场的影响，因为它同传统的动态随机存储器一样，操作使用的是电场。 铁电存储器的技术原理

当一个电场被加到铁电晶体时，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。

所有这些令人振奋的发展都使得铁电存储器在人们日常生活的各个领域被广泛应用。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。 铁电存储器的操作

一个简单的铁电晶体模型如图1铁电存储器晶体的中心原子结构所示。在铁电晶体中心有一个活动原子。在电场的作用下，晶阵中的中心原子会沿着电场方向运动到另一边，反方方向的电场会使原子向着相反的方向运动。在晶体顶层和底层的原子保持稳定状态。当电场从晶体移走或是掉电的情况下，中心原子会保持在原来的位置。作为存储器件，铁电存储器是一种比较完善的存储器件。它包含了两种稳定的状态：一种是在无时间和能量的情况下不发生改变，另一种是在多变的外部环境下保持稳定。 读操作

虽然电容作为存储器件，但他不想线性电荷一样进行数据存储。要进行读操作，就要对存储单元电容中铁电晶体的中心原子位置进行记录。直接对中心原子的位置进行检测是不能实现的。实际的读操作过程如下。在存储单元电容上施加一已知电场（即对电容充电），如果原来晶体中心原子的位置与所施加的电场方向使中心原子要达到的位置相同，中心原子不会移动；若相反，则中心原子将越过晶体中间层的高能阶到达另一位置。在高能阶的作用下，充电波形上就会出现一个尖峰，把这

个充电波形同参考位的充电波形进行比较，产生原子移动的比没有产生移动的多了一个尖峰，非开关电容产生普通的动态随机存储器的电荷，而开关电容则产生动态随机存储器和铁电存储器的混合电荷。存储电路决定了电容的切换。这种开关电荷允许由电路决定存储电荷的状态。晶体原子状态的切换时间小于1ns，完整的读操作的时间小于70ns。

因为读操作导致存储单元状态的改变，需要电路自动恢复其内容，所以每个读操作后面还伴随一个“预充”过程来对存储器的状态进行恢复。虽然读操作被破坏，但存储无效的时间要低于50ns。 写操作

写操作和读操作十分类似。与其他的非易失性存储技术不同，写操作非常简单无需系统延时。数据被写到铁电的电容中。如果需要的话，新的数据很容易改变铁电晶体的状态。对于读操作，晶体原子状态的切换时间小于1ns，读操作的时间小于70ns。对于读操作， “预充”操作伴随在 写操作之后。 FRAM存储单元结构

目前的FRAM产品使用2个场效应管和2个电容（2T2C），每个存储单元包括数据

位和各自的参考位，自1993年起这种基本的单元已经被应用于产品中。2T2C存储单 元提高了数据的可信度，特别是对于早期的非易失性存储器是非常重要的。2T2C存储单元结构如图2所示。

图2 2T2C存储单元结构

2T2C存储单元为每个数据位提供了一个相近的参考位，依照数据状态进行编

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