A ferroelektromos véletlen elérésű memória ( Ferroelectric RAM , FeRAM vagy FRAM [1] ) a DRAM - hoz hasonló kialakítású véletlen elérésű memória , de dielektromos réteg helyett ferroelektromos réteget használ az energiafüggetlenség biztosítása érdekében. A FeRAM egyike a növekvő számú alternatív nem felejtő memóriatechnológiának , amelyek ugyanazokat a funkciókat kínálják, mint a flash memória .
A ferroelektromos anyagok digitális tárolóeszközökben való használatáról szóló első információk az 1970-es évekből származnak. A Szovjetunióban megjelent a 690564 [2] számú szerzői jogi tanúsítvány , és megjelentek a 307РВ1 sorozatú ferroelektromos memória mikroáramkörök [3] . A használat nehézségei, különösen a nagyfeszültség szükségessége azonban nem tették lehetővé a technológia széles körű elterjedését.
A modern FeRAM technológia fejlesztése az 1980- as évek végén kezdődött . 1991-ben a NASA Jet Propulsion Laboratory- ban dolgoztak az olvasási módszerek fejlesztésén, beleértve az ultraibolya sugárzás impulzusait használó, roncsolásmentes leolvasás új módszerét [4] .
A jelenlegi FeRAM technológia nagy részét a Ramtron International , a félvezetőiparra szakosodott, gyár nélküli vállalat fejlesztette ki. Az egyik legnagyobb engedélyes a Fujitsu volt , amely egyes vélemények szerint a legnagyobb félvezetőgyártó bázissal rendelkezik , beleértve a FeRAM-ra alkalmas gyártósort is. 1999 óta használják ezt a vonalat egyedi FeRAM chipek és speciális chipek (például intelligens kártya chipek ) előállítására integrált FeRAM memóriával. Ez tökéletesen illeszkedik a Fujitsu Ramtron által kifejlesztett eszközök gyártására vonatkozó tervéhez.
2001-től a Texas Instruments együttműködött a Ramtronnal, hogy FeRAM tesztchipeket fejlesszenek egy frissített 130 nm -es eljárással . 2005 őszén a Ramtron bejelentette, hogy sikerült jelentősen továbbfejleszteniük a Texas Instruments létesítményeinek felhasználásával gyártott 8 megabites FeRAM chipek prototípusát . Ugyanebben az évben a Fujitsu és a Seiko-Epson elkezdett együttműködni a 180 nm-es FeRAM folyamat fejlesztésében .
FeRAM kutatási projekteket jelentett be a Samsung , a Matsushita , az Oki , a Toshiba , az Infineon , a Hynix , a Symetrix , a Cambridge - i Egyetem , a Torontói Egyetem és az InterUniverity Microelectronics Center (IMEC, Belgium ).
Mérföldkövek: 1984 - A RAMTRON megkezdte a FRAM memória technológia fejlesztését.
1989 – Üzembe helyezték az első FRAM-ot gyártó gyárat.
1993 - az első kereskedelmi termék (a 4 Kbit memóriakapacitású FRAM chipet tömeggyártásba helyezték).
1996 - megkezdődött a 16 Kbit-es FRAM chip gyártása.
1998 - FRAM technológia tömeggyártása 1,0 mikronos topológiai normával .
1999 - FRAM tömeggyártása 0,5 mikronos technológiával, FRAM chipek 64 Kbit és 256 Kbit memóriakapacitással.
2000 - 1 Mbit térfogatú FRAM mikroáramkörök gyártása 1T1C típusú cellával, 3 V tápfeszültségű FRAM mikroáramkörök gyártásának kezdete.
2001 - FRAM gyártási technológia bevezetése 0,35 mikron topológiai normával.
A hagyományos DRAM kis kondenzátorok rácsából és a hozzájuk tartozó érintkező- és jeltranzisztorokból áll . Minden információtároló elem egy kondenzátorból és egy tranzisztorból áll, a hasonló áramkört "1T-1C" eszköznek is nevezik.
A DRAM elem méreteit közvetlenül a gyártás során használt félvezető gyártási folyamat méretei határozzák meg. Például a legtöbb memóriagyártó által a DDR2 DRAM gyártása során alkalmazott 90 nm-es eljárás szerint az elem mérete 0,22 µm², amely magában foglalja a kondenzátort , a tranzisztort , azok csatlakozását, valamint a különböző részek között némi üres helyet. Az elemek általában a tér 35%-át foglalják el, 65%-ot hagyva üres helynek.
A DRAM-ban lévő adatok tárolása a kondenzátor elektromos töltéseként vagy hiányaként történik, a töltés hiányát "0"-val jelöljük. A rögzítés a megfelelő vezérlőtranzisztor aktiválásával történik, amely lehetővé teszi, hogy a töltés „lemerüljön”, hogy emlékezzen a „0”-ra, vagy fordítva, a töltés kihagyása a cellába, ami „1”-et jelent. A leolvasás nagyon hasonló módon történik: a tranzisztort újra aktiválják, a töltéslefolyást a kiolvasó erősítő elemzi . Ha az erősítő megjegyzi a töltésimpulzust, akkor a cella töltést tartalmazott, és így „1”-et olvasunk, az ilyen impulzus hiánya „0”-t jelent. Meg kell jegyezni, hogy ez a folyamat destruktív , vagyis a cellát egyszer olvassák be; ha "1"-et tartalmazott, akkor újra kell tölteni az érték tárolásának folytatásához. Mivel a cella a szivárgás miatt egy idő után elveszíti töltését, bizonyos időközönként szükséges a tartalom regenerálása.
A FeRAM-hoz tervezett 1T-1C típusú cella felépítésében hasonló a DRAM -ban általánosan használt mindkét típusú cellához , beleértve az egyetlen kondenzátort és egy tranzisztoros szerkezetet. A DRAM cellakondenzátor lineáris dielektrikumot használ, míg a FeRAM cellakondenzátor egy ferroelektromos szerkezetet ( általában ólom-cirkonát-titanát (PZT) piezokerámiát ) tartalmazó dielektromos szerkezetet használ.
A ferroelektromos nemlineáris összefüggést mutat az alkalmazott elektromos tér és a tárolt töltés között. Különösen a ferroelektromos karakterisztikának van egy hiszterézis hurok alakja , amely általánosságban nagyon hasonlít a ferromágneses anyagok hiszterézis hurkjára. A ferroelektromos anyag kristályszerkezetében képződő félig állandó elektromos dipólusok hatására a ferroelektromos dielektromos állandója általában sokkal nagyobb, mint a lineáris dielektrikumé . Amikor egy külső elektromos tér áthatol egy dielektrikumon, a dipólusok igazodnak az alkalmazott tér irányához, ami enyhe eltolódásokat eredményez az atompozíciókban és az elektromos töltés áthaladása során a kristályszerkezetben. A töltés eltávolítása után a dipólusok megtartják polarizációs állapotukat. Általában a bináris "0" és "1" a két lehetséges elektromos polarizáció egyikeként van tárolva minden adattároló cellában. Például az „1” a „-Pr” negatív polarizációs maradékra, a „0” pedig a „+Pr” pozitív polarizációs maradékra utal.
A FeRAM funkcionálisan hasonló a DRAM-hoz. A rögzítés úgy történik, hogy az elektródák feltöltésekor a ferroelektromos rétegen keresztül behatolnak a mezőbe, és a benne lévő atomokat felfelé vagy lefelé kényszerítik (a töltés polaritásától függően), aminek következtében „1” vagy „0” tárolódik. Az olvasás elve azonban eltér a DRAM-ban való megvalósítástól. A tranzisztor speciális állapotba hozza a cellát, és "0"-t jelez. Ha a cella már tartalmazza a „0” értéket, akkor semmi nem történik a kimeneti sorokon. Ha a cella "1"-et tartalmazott, akkor a közbenső rétegben lévő atomok átirányítása rövid kimeneti impulzust eredményez, mivel az "alsó" oldalon kiszorítják az elektronokat a fémből. Ennek az impulzusnak a jelenléte azt jelenti, hogy a cella "1"-et tárol. Mivel a folyamat felülírja a cella tartalmát, a FeRAM-ból való olvasás destruktív folyamat, és megköveteli a cellában lévő adatok regenerálását, ha az olvasás során megváltozik.
A FeRAM működése nagyon hasonlít a mágneses magmemóriához , amely az egyik első típusú számítógépes memória az 1960-as években. Ezenkívül a FeRAM-ban használt ferroelektromos hatást 1920-ban fedezték fel. De most a FeRAM sokkal kevesebb energiát igényel a polaritás (irány) állapot megváltoztatásához, és sokkal gyorsabban teszi ezt.
A FeRAM előnyei a flash memóriával szemben:
A FeRAM hátrányai a következők:
A flash memória cellák cellánként több bitet is képesek tárolni (jelenleg 3 a legnagyobb sűrűségben a NAND flash chipeknél ) , és a flash cellánkénti bitek számát a tervek szerint 4-re vagy akár 8-ra növelik a flash cellák területén alkalmazott új technológiáknak köszönhetően . Következésképpen a flash memória bitsűrűségi tartománya sokkal nagyobb, mint a FeRAM-é, így a flash memória bitenkénti költsége alacsonyabb, mint a FeRAM-é.
A memória alrendszer költségének fő meghatározója a komponensek sűrűsége. Kevesebb komponens (vagy kevesebb) azt jelenti, hogy több cella fér el egyetlen lapkán, ami viszont azt jelenti, hogy egy szilíciumlapkából egyszerre több memóriachip állítható elő, különben ezek a chipek nagyobb kapacitásúak lesznek. Ez növeli a bevételt , ami közvetlenül tükröződik a költségekben .
Ebben a skálázási folyamatban az alsó határ az egyik kulcsfontosságú összehasonlítási pont, amely általában minden technológiára jellemző, a legkisebb cellaméretre skálázva, és ezen a határon nyugszik, ami nem engedi tovább olcsóbbá válni. A FeRAM és a DRAM felépítésében hasonló, sőt hasonló vonalakon, hasonló méretben is előállíthatók. Az alsó határt mindkét esetben az érzékelő erősítő indításához szükséges töltés mértéke határozza meg. A DRAM esetében ez 55 nm-en jelent problémát, mivel ekkora méretnél a kondenzátor által tárolt töltés túl kicsi ahhoz, hogy észlelni lehessen. Egyelőre nem tudni, hogy a FeRAM-ot le lehet-e csökkenteni hasonló méretűre, mivel a PZT réteg töltéssűrűsége nem biztos, hogy megegyezik a hagyományos kondenzátorban lévő fémelektródákéval.
További méretkorlát, hogy az anyag a méret erőteljes csökkenésével elveszti ferroelektromos tulajdonságait [5] [6] (ez a hatás a ferroelektromos "depolarizációs mezőjéhez" kapcsolódik). Jelenleg a ferroelektromos anyagok stabilizálásának problémájával kapcsolatos kutatások folynak; az egyik megoldás például a molekuláris adszorbátumok alkalmazása [5] .
Jelenleg a kereskedelmi forgalomban lévő FeRAM megoldásokat 350 nm-es és 130 nm-es eljárásokkal gyártják. A korai modellek kettős FeRAM cellát igényeltek egy bit tárolására, ami nagyon alacsony sűrűséget eredményezett, de ezt a korlátozást azóta már sikerült legyőzni.
A FeRAM fő előnye a DRAM-mal szemben, hogy mi történik az olvasási és írási ciklusok között. A DRAM-ban a fémelektródákon található töltés a szigetelőrétegen és a vezérlőtranzisztoron keresztül áramlik, aminek következtében teljesen eltűnik. A DRAM-ban is a néhány ezredmásodpercnél hosszabb adatok tárolása érdekében minden egyes cellát rendszeresen be kell olvasni és felül kell írni, amit "regenerációnak" neveznek. Minden cellát másodpercenként többször kell frissíteni (~65 ms-onként egyszer [7] ), ami állandó tápellátást igényel.
A DRAM-mal ellentétben a FeRAM csak akkor igényel áramot, amikor ténylegesen olvas vagy ír egy cellába. A DRAM által felhasznált energia jelentős részét regenerálásra fordítják, így a TTR-MRAM fejlesztői által idézett mérések itt is eléggé relevánsak, ami 99%-kal alacsonyabb fogyasztást jelez a DRAM-hoz képest.
A nem felejtő memória egy másik típusa a flash memória , amely a FeRAM-hoz hasonlóan nem igényel frissítési folyamatot. A flash memória úgy működik, hogy az elektronokat átnyomja egy kiváló minőségű szigetelő gáton, ahol a tranzisztor egyik végén csapdába esnek . Ez a folyamat nagy feszültséget igényel, amelyet egy töltőszivattyú generátor biztosít . Ez azt jelenti, hogy a FeRAM tervezésénél fogva kevesebb energiát használ, mint a flash, legalábbis írás közben, mivel a FeRAM-ba írás energiafogyasztása csak valamivel magasabb, mint az olvasás. A többnyire olvasott készülékeknél a különbségek egyáltalán nem lesznek jelentősek, a kiegyensúlyozottabb olvasási/írási szintű készülékeknél viszont sokkal jelentősebb lehet a különbség.
A DRAM teljesítményét az korlátozza, hogy a cellákban tárolt aktuális töltés milyen szinten „leereszthető” (olvasáskor) vagy „pumpálható” (íráskor). Ennek általános esetben a vezérlőtranzisztorok képességei, a cellák tápellátását biztosító vezetékek kapacitása, valamint a generált hőmérséklet korlátozza.
A FeRAM az atomok fizikai mozgásán alapul, amikor külső térnek vannak kitéve, ami rendkívül gyors, körülbelül 1 ns-ig tart. Elméletileg ez azt jelenti, hogy a FeRAM gyorsabb lehet, mint a DRAM. Tekintettel azonban arra, hogy olvasáskor és íráskor a cellát árammal kell ellátni, a tápellátással és kapcsolásokkal kapcsolatos különféle késések a DRAM-éhoz hasonló szintre csökkentik a teljesítményt. Emiatt elmondható, hogy a FeRAM kevesebb töltést igényel, mint a DRAM, mivel a DRAM chipeknek töltést kell tartaniuk , míg a FeRAM felülírásra kerül a töltés lemerülése előtt. Vagyis késés van az írásban amiatt, hogy a töltésnek át kell haladnia a vezérlőtranzisztoron, ami saját korlátokat szab.
A flash memóriához képest az előnyök nyilvánvalóbbak. Bár az olvasás teljesítménye hasonló, az írások töltésszivattyúzást használnak, ami jelentős időt igényel a "beállításhoz", míg a FeRAM folyamat nem. A flash memória írása általában körülbelül 1 ms, míg a mai FeRAM chipek 100-szor kevesebb időt vesznek igénybe.
A FeRAM elméleti teljesítményével nem minden világos. A meglévő 350 nm-es minták olvasási ideje 50-60 ns nagyságrendű. Bár sebességükben összemérhetőek a modern DRAM chipekkel, amelyek között 2 ns nagyságrendű példák is találhatók, az elterjedt 350 nm-es DRAM chipek 35 ns nagyságrendű olvasási idővel működnek [8] , így a A FeRAM teljesítménye hasonlónak tűnik egy hasonló gyártási folyamathoz.
2005-ben a félvezetők világszintű értékesítése 235 milliárd dollár volt (a Gartner becslése szerint ), a flash memória piac értéke pedig 18,6 milliárd dollár volt (az IC Insights szerint). . 2005-ben a Ramtron International , a FeRAM memória vitathatatlanul legnagyobb szállítója, 32,7 millió dolláros árbevételt ért el.
2007-ben a FeRAM chipeket a Fujitsu gyáraiban 350 nm -es, a Texas Instruments gyáraiban 130 nm -es szabvány szerint gyártották, míg a flash memóriákat Samsung félvezetőkkel gyártják már 30 nm-es specifikációkkal. A flash memória jelenleg a domináns nem felejtő memória ( NVRAM ) technológia, és valószínűleg az is marad legalább az évtized végéig. Az alternatív NVRAM chipekhez képest lényegesen magasabb flash memória eladások sokkal több kutatást és fejlesztést tesznek lehetővé.
2008 őszén a Ramtron International kiadta az első 1 Mbit-es FM28V100 chipet, amely a V-Family kezdetét jelentette.
2009. július végén a cég bejelentette a V-Family család új, 256 Kbps kapacitású (logikai felépítése 32Kx8) FM28V020 memóriachipének kiadását, párhuzamos interfésszel és egy bájt adatbusz-szélességgel. Csomagoláshoz egy szabványos SOIC -28 típusú tokot választottunk ; üzemi hőmérséklet tartomány -40°C és +85°C között [9] .
2011 elején a Ramtron International számos soros interfésszel rendelkező chipet mutatott be: FM24W256, FM25W256 - 256 Kbps - 2,35 dollár darabonként. 10 000 darabos tételben; és párhuzamos interfész: FM16W08 – 64 Kbps – 1,96 USD, FM18W08 – 256 Kbps – 3,48 USD [10] . A bemutatott új W-Family 25-50%-kal alacsonyabb aktív üzemmódú árammal és 20-szoros inicializálási idővel rendelkezik.
2011 nyarán a Texas Instruments kiadta az MSP430 mikrokontroller egy változatát Flash helyett FRAM-mal [11] .
2012 októberében a Fujitsu Semiconductor Europe (FSEU) bemutatta a 256 Kbps kapacitású MB85RC256V chipet. Az adattárolás garantált időtartama 10 év 85°C-os hőmérsékleten, az olvasási/írási ciklusok száma 1 billió [12] .
A FeRAM továbbra is rendkívül kis részesedéssel rendelkezik a teljes félvezetőpiacon.
A FeRAM sűrűsége növelhető a FeRAM gyártási folyamatának technológiájának és cellaszerkezetének fejlesztésével, például függőleges kondenzátorszerkezetek kifejlesztésével (hasonlóan a DRAM-hoz) a cellára gyakorolt hatásterület csökkentése érdekében. A cella méretének csökkentése azonban azt okozhatja, hogy az adattároló töltés túl gyenge lesz ahhoz, hogy észlelhető legyen. 2005-ben a Ramtron jelentős FeRAM-termékek értékesítését jelentette be különböző piaci szektorokban, ideértve (de nem kizárólagosan) az elektronikus mérőeszközöket, a szállítóeszközöket ( fekete dobozok és intelligens légzsákok ), az üzleti és irodai berendezéseket (nyomtatók és RAID -vezérlők), a mérőműszereket. , orvosi berendezések, ipari mikrokontrollerek és RFID chipek. Más meglévő NVRAM chipek, mint például az MRAM , átvehetik a helyüket a hasonló piaci réseken, versenyezve a FeRAM-mal.
Lehetőség van FeRAM cellák beépítésére két további maszk lépéssel a hagyományos CMOS félvezetők gyártásában [13] . A flash memória általában kilenc maszkot igényel. Ez lehetővé teszi például a FeRAM integrálását mikrokontrollerekbe , ahol egy egyszerűbb folyamat csökkentené a költségeket. A FeRAM chipek gyártásához használt anyagokat azonban nem használják széles körben a CMOS áramkörök gyártása során. Mind a PZT ferroelektromos réteg, mind az elektródák gyártása során felhasznált nemes anyagok oxidációs folyamatot és kölcsönös károsodást okoznak a CMOS-ban.