Ferroelektrisk hukommelse med tilfældig adgang ( Ferroelektrisk RAM , FeRAM eller FRAM [1] ) er hukommelse med tilfældig adgang, der i design ligner DRAM , men bruger et ferroelektrisk lag i stedet for et dielektrisk lag for at sikre energiuafhængighed. FeRAM er en af et voksende antal alternative ikke-flygtige hukommelsesteknologier , der tilbyder samme funktionalitet som flash-hukommelse .
Den første information om brugen af ferroelektrik i digitale lagerenheder går tilbage til 1970'erne. I USSR blev ophavsretscertifikat nr. 690564 [2] offentliggjort , og ferroelektriske hukommelsesmikrokredsløb i 307РВ1 -serien [3] blev frigivet . Brugsvanskelighederne, især behovet for højspændinger, tillod imidlertid ikke, at teknologien blev bredt vedtaget.
Udviklingen af moderne FeRAM-teknologi begyndte i slutningen af 1980'erne . I 1991 arbejdede man på NASAs Jet Propulsion Laboratory for at forbedre læsemetoderne, herunder en ny metode til ikke-destruktiv læsning ved hjælp af pulser af ultraviolet stråling [4] .
Meget af den nuværende FeRAM-teknologi er udviklet af Ramtron International , et fabriksløst firma med speciale i halvlederindustrien. En af de største licenstagere var Fujitsu , som i nogle tilfælde har den største halvlederproduktionsbase , inklusive en produktionslinje, der er egnet til FeRAM. Siden 1999 har de brugt denne linje til at producere individuelle FeRAM- chips sammen med specialiserede chips (såsom smart card- chips ) med integreret FeRAM-hukommelse. Dette passede perfekt til Fujitsus planer om at producere enheder udviklet af Ramtron.
Begyndende i 2001 begyndte Texas Instruments at samarbejde med Ramtron om at udvikle FeRAM testchips ved hjælp af en opdateret 130 nm proces . I efteråret 2005 annoncerede Ramtron, at de havde haft held med at forbedre prototypen af 8 megabit FeRAM-chips, der blev fremstillet ved hjælp af Texas Instruments faciliteter . Samme år begyndte Fujitsu og Seiko-Epson at samarbejde om udviklingen af 180nm FeRAM- processen .
FeRAM-forskningsprojekter er blevet annonceret af Samsung , Matsushita , Oki , Toshiba , Infineon , Hynix , Symetrix , University of Cambridge , University of Toronto og Interuniversity Microelectronics Center (IMEC, Belgien ).
Milepæle: 1984 - RAMTRON begyndte at udvikle FRAM-hukommelsesteknologien.
1989 - Den første fabrik til produktion af FRAM blev sat i drift.
1993 - det første kommercielle produkt (FRAM-chippen med en hukommelseskapacitet på 4 Kbit blev sat i serieproduktion).
1996 - produktion af en 16 Kbit FRAM-chip blev lanceret.
1998 - masseproduktion af FRAM-teknologi med en topologisk norm på 1,0 mikron .
1999 - masseproduktion af FRAM ved hjælp af 0,5 mikron teknologi, FRAM chips med en hukommelseskapacitet på 64 Kbit og 256 Kbit.
2000 - produktion af FRAM-mikrokredsløb med et volumen på 1 Mbit med en celletype 1T1C, begyndelsen på produktionen af FRAM-mikrokredsløb med en forsyningsspænding på 3 V.
2001 - introduktion af FRAM-produktionsteknologi med en topologisk norm på 0,35 mikron.
Konventionel DRAM består af et gitter af små kondensatorer og tilhørende kontakt- og signaltransistorer . Hvert informationslagerelement består af en kondensator og en transistor, et lignende kredsløb kaldes også en "1T-1C" enhed.
Dimensionerne af et DRAM-element bestemmes direkte af dimensionerne af den halvlederfremstillingsproces , der anvendes i deres produktion. For eksempel, ifølge 90nm-processen, der bruges af de fleste hukommelsesproducenter i produktionen af DDR2 DRAM, er elementstørrelsen 0,22 µm², hvilket inkluderer en kondensator , en transistor , deres forbindelse samt en vis mængde tom plads mellem forskellige dele - normalt fylder elementer 35 % af pladsen, og 65 % efterlades som tom plads.
Data i DRAM lagres som tilstedeværelsen eller fraværet af en elektrisk ladning på en kondensator, hvor fraværet af ladning betegnes som "0". Optagelsen foretages ved at aktivere den tilsvarende kontroltransistor, som tillader ladningen at "dræne" for at huske "0", eller omvendt, for at springe ladningen over i cellen, hvilket vil betyde "1". Aflæsning sker på en meget lignende måde: transistoren genaktiveres, ladningsdrænet analyseres af udlæsningsforstærkeren . Hvis ladningsimpulsen noteres af forstærkeren, så indeholdt cellen en ladning og dermed læses "1", fraværet af en sådan impuls betyder "0". Det skal bemærkes, at denne proces er destruktiv , det vil sige, at cellen læses én gang; hvis den indeholdt en "1", så skal den genindlæses for at fortsætte med at gemme denne værdi. Da cellen mister sin ladning efter nogen tid på grund af lækager, er regenerering af dens indhold påkrævet med visse intervaller.
1T-1C type celle designet til FeRAM ligner i design til begge typer celler, der almindeligvis anvendes i DRAM , inklusive en enkelt kondensator og en enkelt transistorstruktur. DRAM-cellekondensatoren bruger et lineært dielektrikum, mens FeRAM-cellekondensatoren bruger en dielektrisk struktur, der inkluderer en ferroelektrisk ( normalt blyzirkonatitanat (PZT) piezokeramik ).
Et ferroelektrisk har et ikke-lineært forhold mellem det påførte elektriske felt og den lagrede ladning. Især har den ferroelektriske karakteristik form af en hysteresesløjfe , som i generelle vendinger er meget lig hysteresesløjfen af ferromagnetiske materialer. Den dielektriske konstant for et ferroelektrisk er generelt meget højere end for et lineært dielektrikum på grund af virkningen af semi-permanente elektriske dipoler dannet i krystalstrukturen af det ferroelektriske materiale. Når et eksternt elektrisk felt trænger ind i et dielektrikum, flugter dipolerne med retningen af det påførte felt, hvilket resulterer i små forskydninger i atompositioner og forskydninger i passagen af elektrisk ladning i krystalstrukturen. Efter at ladningen er fjernet, bevarer dipolerne deres polarisationstilstand. Typisk er binære "0" og "1" lagret som en af to mulige elektriske polariseringer i hver datalagercelle. For eksempel henviser "1" til den negative polarisationsrest "-Pr", og "0" refererer til den positive polarisationsrest "+Pr".
FeRAM ligner funktionelt DRAM. Optagelse sker ved at trænge ind i feltet gennem det ferroelektriske lag, når elektroderne er opladet, hvilket tvinger atomerne indeni til at tage en orientering op eller ned (afhængigt af ladningens polaritet), på grund af hvilken "1" eller "0" er lagret. Men princippet om læsning adskiller sig fra implementeringen i DRAM. Transistoren sætter cellen i en speciel tilstand og rapporterer "0". Hvis cellen allerede indeholder "0", vil der ikke ske noget på outputlinjerne. Hvis cellen indeholdt et "1", så vil reorienteringen af atomerne i mellemlaget resultere i en kort udgangsimpuls, da de skubber elektronerne ud af metallet på "bunden" side. Tilstedeværelsen af denne puls vil betyde, at cellen gemmer "1". Da processen overskriver cellens indhold, er læsning fra FeRAM en destruktiv proces og kræver regenerering af dataene i cellen, hvis de ændres under læsningen.
Driften af FeRAM ligner meget magnetisk kernehukommelse , en af de første typer computerhukommelse i 1960'erne. Derudover blev den ferroelektriske effekt, der blev brugt i FeRAM, opdaget i 1920. Men nu kræver FeRAM meget mindre energi for at ændre polaritetstilstanden (retning), og det gør det meget hurtigere.
Blandt fordelene ved FeRAM frem for flash-hukommelse er:
Ulemperne ved FeRAM inkluderer:
Flash-hukommelsesceller kan lagre flere bits pr. celle (i øjeblikket 3 ved den højeste tæthed for NAND-flash-chips ) , og antallet af bits pr. flash-celle er planlagt til at blive øget til 4 eller endda 8 takket være nye teknologier inden for flash-celler . Bittæthedsområdet for flashhukommelse er følgelig meget større end FeRAMs, og dermed er prisen pr. bit flashhukommelse lavere end FeRAM.
Hoveddeterminanten for omkostningerne ved hukommelsesundersystemet er tætheden af komponenterne. Færre komponenter (eller færre) betyder, at flere celler kan passe på en enkelt chip, hvilket igen betyder, at der kan produceres flere hukommelseschips fra en siliciumwafer ad gangen, eller de chips vil være mere rummelige. Dette øger indtægterne , hvilket afspejles direkte i omkostningerne .
Bundgrænsen i denne skaleringsproces er et af de vigtigste sammenligningspunkter, hvilket er typisk for alle teknologier generelt, skalering til de mindste cellestørrelser og hvile på denne grænse, hvilket ikke tillader dem at blive billigere yderligere. FeRAM og DRAM ligner hinanden i design og kan endda produceres på lignende linjer i lignende størrelser. I begge tilfælde er den nedre grænse bestemt af mængden af ladning, der er nødvendig for at udløse sense-forstærkeren. For DRAM bliver dette et problem ved 55nm, da mængden af ladning lagret af kondensatoren ved den størrelse bliver for lille til at detektere. Det vides endnu ikke, om FeRAM kan reduceres til en tilsvarende størrelse, da ladningstætheden på PZT-laget muligvis ikke er den samme som for metalelektroder i en konventionel kondensator.
En yderligere størrelsesbegrænsning er, at materialet mister ferroelektriske egenskaber med et stærkt fald i størrelse [5] [6] (denne effekt er forbundet med "depolarisationsfeltet" af det ferroelektriske). I øjeblikket er der forskning i gang i problemet med stabilisering af ferroelektriske materialer; en løsning er for eksempel brugen af molekylære adsorbater [5] .
I øjeblikket fremstilles kommercielle FeRAM-løsninger i 350nm og 130nm processer. Tidlige modeller krævede to FeRAM-celler for at lagre en bit, hvilket resulterede i meget lav tæthed, men denne begrænsning er siden blevet overvundet.
Den vigtigste fordel ved FeRAM i forhold til DRAM er, hvad der sker mellem læse- og skrivecyklusser. I DRAM strømmer ladningen, der er placeret på metalelektroderne, gennem det isolerende lag og kontroltransistoren, som et resultat af, at den forsvinder fuldstændigt. Også i DRAM skal hver celle med jævne mellemrum læses og overskrives for at kunne lagre data længere end et par millisekunder, hvilket kaldes "regenerering". Hver celle skal opdateres mange gange i sekundet (en gang hver ~65 ms [7] ), hvilket kræver en konstant strømforsyning.
I modsætning til DRAM kræver FeRAM kun strøm, når man rent faktisk læser eller skriver til en celle. En betydelig del af den energi, der bruges af DRAM, bruges på regenerering, så de målinger, som TTR-MRAM-udviklerne citerer, er også ret relevante her, hvilket indikerer et 99% lavere strømforbrug sammenlignet med DRAM.
En anden type ikke-flygtig hukommelse er flash-hukommelse , der ligesom FeRAM ikke kræver en opdateringsproces. Flash-hukommelse virker ved at skubbe elektroner gennem en isolerende barriere af høj kvalitet, hvor de er fanget i den ene ende af en transistor . Denne proces kræver højspænding, som leveres af en ladningspumpegenerator . Det betyder, at FeRAM designmæssigt bruger mindre strøm end flash, i hvert fald ved skrivning, da strømforbruget til at skrive til FeRAM kun er lidt højere end ved læsning. For enheder, der for det meste læses, vil forskellene slet ikke være signifikante, men for enheder med et mere afbalanceret læse/skriveniveau kan forskellen være meget større.
DRAM-ydelse er begrænset af det niveau, hvormed den aktuelle ladning, der er lagret i cellerne, kan "drænes" (ved læsning) eller "pumpes" (når der skrives). I det generelle tilfælde er dette begrænset af kontroltransistorernes muligheder, kapacitansen af ledningerne, der leverer strøm til cellerne, samt den genererede temperatur.
FeRAM er baseret på den fysiske bevægelse af atomer, når de udsættes for et eksternt felt, som er ekstremt hurtigt og tager cirka 1 ns. I teorien betyder det, at FeRAM kan være hurtigere end DRAM. Men på grund af det faktum, at der skal tilføres strøm til cellen ved læsning og skrivning, vil forskellige forsinkelser forbundet med strømforsyning og omskiftning reducere ydeevnen til et niveau, der kan sammenlignes med DRAM. Af denne grund kan det siges, at FeRAM kræver mindre opladning end DRAM, da DRAM-chips skal holde en ladning, mens FeRAM vil blive overskrevet, før ladningen drænes. Det vil sige, at der er en forsinkelse i skrivningen på grund af, at ladningen skal passere gennem styretransistoren, hvilket pålægger sine egne begrænsninger.
Sammenlignet med flash-hukommelse er fordelene mere indlysende. Mens læsninger er ens i ydeevne, bruger skrivere ladningspumpning, hvilket kræver en betydelig mængde tid at "konfigurere", mens FeRAM-processen ikke gør det. Flash-hukommelse tager generelt omkring 1 ms at skrive lidt, mens selv nutidens FeRAM-chips tager 100 gange mindre tid.
Med FeRAMs teoretiske ydeevne er ikke alt klart. Eksisterende 350 nm prøver har læsetider i størrelsesordenen 50-60 ns. Selvom de i hastighed er sammenlignelige med moderne DRAM-chips, blandt hvilke eksempler kan findes med værdier af størrelsesordenen 2 ns, fungerer almindelige 350 nm DRAM-chips med en læsetid i størrelsesordenen 35 ns [8] , så FeRAMs ydeevne ser ud til at være sammenlignelig med en lignende fremstillingsproces.
I 2005 var det verdensomspændende halvledersalg på 235 milliarder dollars (estimeret af Gartner ), med flashhukommelsesmarkedet til en værdi af 18,6 milliarder dollars (ifølge IC Insights) . I 2005 havde Ramtron International , uden tvivl den største leverandør af FeRAM-hukommelse, en omsætning på 32,7 millioner dollars.
I 2007 blev FeRAM-chips fremstillet til 350 nm-specifikationer på Fujitsu-fabrikker og 130 nm -standarder på Texas Instruments-fabrikker, mens flashhukommelse er fremstillet ved hjælp af Samsung-halvledere, der allerede har 30 nm-specifikationer. Flash-hukommelse er i øjeblikket den dominerende ikke-flygtige hukommelse ( NVRAM ) teknologi og vil sandsynligvis forblive det indtil i det mindste slutningen af årtiet. Betydeligt højere salg af flashhukommelse, sammenlignet med alternative NVRAM-chips, giver meget mere forskning og udvikling.
I efteråret 2008 udgav Ramtron International den første 1 Mbit FM28V100-chip, som markerede begyndelsen på V-familien.
I slutningen af juli 2009 annoncerede virksomheden frigivelsen af en ny FM28V020-hukommelseschip med en kapacitet på 256 Kbps (logisk organisation 32Kx8) af V-Family-familien med en parallel grænseflade og en databusbredde på en byte. Til emballering blev der valgt en standard SOIC -28 type æske ; driftstemperaturområde fra −40°C til +85°C [9] .
I begyndelsen af 2011 præsenterede Ramtron International en række chips med en seriel grænseflade: FM24W256, FM25W256 - 256 Kbps - $ 2,35 per styk. i et parti på 10.000 stykker; og parallel interface: FM16W08 - 64 Kbps - $1,96, FM18W08 - 256 Kbps - $3,48 [10] . Den nye W-Family introducerede byder på 25-50 % lavere aktiv tilstandsstrøm og en 20x reduktion i initialiseringstid.
I sommeren 2011 udgav Texas Instruments en variant af MSP430 mikrocontrolleren med FRAM i stedet for Flash [11] .
I oktober 2012 introducerede Fujitsu Semiconductor Europe (FSEU) MB85RC256V-chippen med en kapacitet på 256 Kbps. Den garanterede varighed af datalagring er 10 år ved en temperatur på 85°C, antallet af læse/skrive-cyklusser er 1 trillion [12] .
FeRAM har fortsat en ekstrem lille andel af det samlede halvledermarked.
Tætheden af FeRAM kan øges ved at forbedre teknologien i FeRAM-fremstillingsprocessen og cellestrukturen, for eksempel ved at udvikle vertikale kondensatorstrukturer (svarende til DRAM) for at reducere virkningsområdet på cellen. En nedskæring af cellen kan dog medføre, at datalagringsafgiften bliver for svag til at blive opdaget. I 2005 annoncerede Ramtron betydeligt salg af FeRAM-produkter i forskellige markedssektorer, herunder (men ikke begrænset til) elektronisk måling, transportudstyr ( sorte bokse og smarte airbags ), forretnings- og kontorudstyr (printere og RAID - controllere). ), måleinstrumenter , medicinsk udstyr, industrielle mikrocontrollere og RFID- chips. Andre eksisterende NVRAM-chips, såsom MRAM , kan tage deres plads i lignende markedsnicher og konkurrere med FeRAM.
Det er muligt at inkorporere FeRAM-celler ved hjælp af to yderligere masketrin i produktionen af konventionelle CMOS-halvledere [13] . Flash-hukommelse kræver typisk ni masker. Dette gør det for eksempel muligt at integrere FeRAM i mikrocontrollere , hvor en enklere proces ville reducere omkostningerne. Imidlertid er de materialer, der anvendes til fremstilling af FeRAM-chips, ikke meget brugt til fremstilling af CMOS-kredsløb. Både det ferroelektriske PZT-lag og de ædle materialer, der anvendes til fremstilling af elektroderne, forårsager en oxidationsproces og gensidig forringelse i CMOS.