铁电存储器的技术背景通信类外文翻译中英文翻译.docx

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铁电存储器的技术背景通信类外文翻译中英文翻译

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,andFlashEPROM。

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（staticrandomaccessmemory）和动态存储器DRAM（dynamicrandomaccessmemory）。

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"ferro"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22T2C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程，读操作时一个电容会发生改变，而其它不发生变化，在设计存储器时选择“0”或“1”任意状态。

涉及到相应的存储器时，存储电路能非常精确地测量那个变化和非变化电容器之间不同。

存储队列中电容的变化被藉由从每一点点有差别的信号中除去。

2001年“单管单容”（1T1C）技术被投放市场，它使得铁电存储器产品的价格被提高。

简化的1T1C存储单元结构框图如图3所示。

图31T1C存储单元结构框图

FRAM的发展

正如前文所提到的，自从1993年起基于铁电存储器FRAM产品已经被广泛的应用于商业生产。

在工业生产中，铁电技术已经趋于成熟。

一些现象已经预示着下一种主流存储技术的出现。

一方面，很多的半导体供应商正在发展铁电。

一些人关注近期产品的发展，而另一些人则关注已成熟的存储器和产品的发展。

另一方面，目前生产的低密度的铁电存储器的产品有广泛的市场。

一些用户已经注意到铁电存储器的发展，铁电存储器的密度和结构，以便于对铁电产品的应用。

每个新的密度的一代使得产生一系列的用户和厂家。

直到目前为止，Ramtron公司是唯一的一家生产FRAM产品公司。

由于公司的许可和授权，一些新的厂商也制造产品。

在全球的范围内，FRAM发展适用于FRAM发展的总资源正在剧烈的增长。

这正在引起FRAM技术进步的里程碑。

下表是Ramtron公司和它的合伙人为FRAM技术的发展选择了历史的里程碑和近期的发展。

1984

Ramtron公司发现FRAM的发展技术

1989

FRAM第一次发展的过程

1993

首次制造容量为4KbitFRAM存储器的商业产品

1996

容量为16KbitFRAM存储器的制造

1998

厂家大量生产0.1u的FRAM存储器用于飞行产品

在64KbFRAM中首次加入MCUw/

1999

在工厂中大量生产0.5u的FRAM存储器

生产64Kb,256KbFRAM存储器

2000

3VFRAM产品的操作示范

2001

生产256K1T1C的FRAM存储器

在FRAM生产过程中首次使用双层金属生产3V、0.35u的产品

2002

256K1T1CFRAMw/每周期

铁电存储器的应用

仪表

电表、水表、仪器仪表、流量表、邮资表。

汽车

安全气囊、车身控制系统、车载收音机、匀速控制、车载DVD、引擎、娱乐设备、仪器簇、传动系、保险装置、遥感勘测/导航系统、自动收费系统

通讯

移动通讯发射站、数据记录仪、电话、收音机、电信、可携式GPS

消费性电子产品

家电、机顶盒、等离子液晶屏电视

计算机

办公设备、雷达系统、网络附属存储、电子式电脑切换器。

工业、科技、医疗

工业自动控制、电梯、酒店门锁、掌上操作仪器、医疗仪器、发动机控制。

其他

自动提款机、照相机、游戏机、POS功能机（可以用来以电子方式购买商品和服务）、自动售货机。

铁电存储器在应用中所起的作用

数据收集存储

铁电存储器能够允许系统设计师更快、更频繁的写入数据，断电不易丢失。

对于使用EEPROM的用户而言，这些是不能享受到的优良性能。

数据收集包括数据获取和存储数据，而这些数据必须在掉电的情况下仍能保留（不是暂时性的或中间结果暂存）。

这些就是具有基本收集数据功能的系统或者子系统，并会随着时间而不断的发展出新的功能。

在绝大多数的情况下，这个改变的过程纪录是很重要的。

配置信息存储

铁电存储器能够灵活实时的，并非在断电的瞬间，存储配置信息，从而帮助系统设计师克服由于突然掉电而造成的数据丢失。

配置信息的存储能够随着时间来追踪系统变化。

其目标是在接通电源后恢复信息在以前的状态和位置，识别错误发生的起因。

总的来说，数据收集通常是一个系统或者子系统的功能，然而配置信息存储则是一个低级别的工程功能，与系统的类别无关。

非易失性缓冲器

铁电存储器能够在数据发送或存储到其它非易失性媒介前，很快地存储正在运行中的数据。

在这种情况下，数据信息由一个子系统传输到另一个子系统。

这个信息是十分重要的并且不允许在断电的情况下丢失。

在有些情况下,目标系统是一个更大的存储器。

而铁电存储器的快速、无限次的读写特点使得数据在被发送到另一个系统前就能及时保存。

SRAM的替代和扩展存储器

铁电存储器的快速写入和非易失性的特点可以通过系统设计师把SRAM和EEPROM的特点合而为一或者能单纯的扩展SRAM的功能而实现。

在很多情况下，一个系统会用到各种不同类型的存储器。

铁电存储器同时具有ROM、RAM以及EEPROM的功能,并能节约系统内存和功耗。

最常见的例子就是一个外部串行EEPROM的嵌入式的微控制器。

铁电存储器能够取代EEPROM,同样也能提供SRAM的微功能。

FRAMTechnologyBackgrounder

Overview

Establishedmemorytechnologiesaredividedintotwocategories.Firstarenonvolatilememories.Traditionally,systemsusetheminread-onlyorreadmostlyapplicationssincetheyaredifficulttowrite.ThesememoriesarederivativesofROMtechnologythatincludeEPROM,EEPROM,andFlashEPROM.

Secondarevolatilememories.TheseareRAMdevicesincludingSRAMandDRAM.Sincetheyareeasytowrite,RAMsoftenstoredatathatmustchangeoften.WhileuserscanwriteRAMseasily,theyarevolatile;thereforestoringquantitiesofdataintheabsenceofpowercontinuestobeanengineeringchallenge.

FerroelectricRandomAccessMemoryorFRAMhasattributesthatmakeittheidealnonvolatilememory.ItisatruenonvolatileRAM.FRAMmemorywriteadvantagesandnonvolatilitymakeitquitesuitableforstoringdataintheabsenceofpower.FRAMbasedproductshavebeenavailableforseveralyearsinlimitedquantities.Thetechnologyisnowmovingrapidlytowarditsemergenceasamainstreammemoryselection.Thistechnologynoteprovidesabriefexplanationofitsoperationaswellasanoverviewofthetechnologydevelopmentstatus.

WhatisFRAM?

FRAMoffersauniquesetoffeaturesrelativetoothersemiconductortechnologies.Traditionalmainstreamsemiconductormemoriescanbedividedintotwoprimarycategories--volatileandnonvolatile.VolatilememoriesincludeSRAM（staticrandomaccessmemory）andDRAM（dynamicrandomaccessmemory）.SRAMsandDRAMslosetheircontentsafterpowerisremovedfromtheelectronicsystem.RAMtypedevicesareveryeasytouse,andarehighperforming,buttheysharetheannoyingquirkoflosingtheirmindwhenthelightsgoout.

Nonvolatilememoriesdonotlosetheircontentswhenpowerisremoved.HoweverallofthemainstreamnonvolatilememoriesshareacommonancestrythatderivesfromROM（readonlymemory）technology.Asyoumightguess,somethingcalledreadonlymemoryisnoteasytowrite,infactit'simpossible.Allofitsdescendantsmakeitverydifficulttowritenewinformationintothem.TheyincludetechnologiescalledEPROM（almostobsoletenow）,EEPROM,andFlash.ROMbasedtechnologiesareveryslowtowrite,wearoutafterbeingwrittenasmallnumberoftimes,andusealargeamountofpowertowrite.

FRAMoffersfeaturesconsistentwithaRAMtechnology,butisnonvolatilelikeaROMtechnology.FRAMbridgesthegapbetweenthetwocategoriesandcreatessomethingcompletelynew--anonvolatileRAM.

FRAMisaRAM-baseddevicethatusestheferroelectriceffectforastoragemechanism.Thisisacompletelydifferentmechanismthantheoneusedbyothernonvolatilememories,whichusefloatinggatetechnology.Theferroelectriceffectistheabilityofamaterialtostoreanelectricpolarizationintheabsenceofanappliedelectricfield.

DepositingafilmofferroelectricmaterialincrystallineformbetweentwoelectrodeplatestoformacapacitorcreatesaFRAMmemorycell.ThiscapacitorconstructionisverysimilartothatofaDRAMcapacitor.RatherthanstoringdataaschargeonacapacitorlikeaDRAM,aferroelectricmemorystoresdatawithinacrystallinestructure.These‘Perovskite’crystalsmaintaintwostablestates–a‘1’anda‘0’.

Figure1.PerovskiteFerroelectricCrystalDuetoitsbasicRAMdesign,thecircuitreadsandwritessimplyandeasily.HoweverunlikeaDRAM,thedatastateisstable.ThereforetheFRAMmemoryneedsnoperiodicrefreshandwhenpowerfails,theFRAMretainsitsdata.

Peoplecommonlymisunderstandthenameferroelectric.Tomany,anameusingtheprefix“ferro”seemstoimplyironormagnetism.Thewordferroelectricalsoisconfusedwithferromagnetic.Inreality,ferroelectricmemoriesusenoironormagneticprinciples.TheyarenotsusceptibletoexternalmagneticfieldsastheyoperateentirelyusingelectricfieldsjustasconventionalDRAMs.

FRAMTechnologyBasics

Whenanelectricfieldisappliedtoaferroelectriccrystal,thecentralatommovesinthedirectionofthefield.

Astheatommoveswithinthecrystal,itpassesthroughanenergybarrier,causingachargespike.Internalcircuitssensethechargespikeandsetthememory.Iftheelectricfieldisremovedfromthecrystal,thecentralatomstaysinposition,preservingthestateofthememory.Therefore,theFRAMmemoryneedsnoperiodicrefreshandwhenpowerfails,FRAMmemoryretainsitsdata.It'sfast,anddoesn'twearout!

FRAMmemorytechnologyiscompatiblewithindustrystandardCMOSmanufacturingprocesses.TheferroelectricthinfilmisplacedoverCMOSbaselayersandsandwichedbetweentwoelectrodes.Metalinterconnectandpassivationcompletetheprocess.

Ramtron'sFRAMmemorytechnologyhasmaturedsignificantl