Ferroelektrischer RAM - Ferroelectric RAM

FeRAM von Ramtron

Fram-ferroe-elektrischer-Kondensator

Ferroelektrischer RAM ( FeRAM , F-RAM oder FRAM ) ist ein Speicher mit wahlfreiem Zugriff, der im Aufbau dem DRAM ähnlich ist, jedoch eine ferroelektrische Schicht anstelle einer dielektrischen Schicht verwendet, um eine Nichtflüchtigkeit zu erreichen. FeRAM ist eine von einer wachsenden Zahl alternativer nichtflüchtiger Direktzugriffsspeichertechnologien , die die gleiche Funktionalität wie Flash-Speicher bieten. Der F-RAM-Chip enthält einen dünnen ferroelektrischen Film aus Bleizirkonattitanat, allgemein als PZT bezeichnet. Die Atome im PZT ändern die Polarität in einem elektrischen Feld, wodurch ein energieeffizienter binärer Schalter erzeugt wird. Der wichtigste Aspekt des PZT ist jedoch, dass er nicht durch Stromunterbrechungen oder magnetische Interferenzen beeinträchtigt wird, was F-RAM zu einem zuverlässigen nichtflüchtigen Speicher macht.

Zu den Vorteilen von FeRAM gegenüber Flash zählen: geringerer Stromverbrauch, schnellere Schreibleistung und eine viel höhere maximale Lese-/Schreibdauer (ca. 10 ¹⁰ bis 10 ¹⁴ Zyklen). FeRAMs haben Datenspeicherzeiten von mehr als 10 Jahren bei +85 °C (bis zu vielen Jahrzehnten bei niedrigeren Temperaturen). Marktnachteile von FeRAM sind viel geringere Speicherdichten als Flash-Geräte, Speicherkapazitätsbeschränkungen und höhere Kosten. Wie DRAM ist der Leseprozess von FeRAM destruktiv und erfordert eine Write-After-Read-Architektur.

Geschichte

Ferroelectric RAM wurde von MIT- Doktorand Dudley Allen Buck in seiner 1952 veröffentlichten Masterarbeit Ferroelectrics for Digital Information Storage and Switching vorgeschlagen . Dies war während einer Ära des Austauschs von Forschung zwischen Mitgliedern der wissenschaftlichen Gemeinschaft, um technologische Innovationen schnell voranzutreiben während eines rasanten Aufbaus von Rechenleistung in der Ära des Kalten Krieges. 1955 experimentierten Bell Telephone Laboratories mit ferroelektrischen Kristallspeichern. Nach der Einführung von dynamischen Metall-Oxid-Halbleiter- (MOS) -Chips mit wahlfreiem Zugriff ( DRAM ) in den frühen 1970er Jahren begann die Entwicklung von FeRAM in den späten 1980er Jahren. Die Arbeit wurde im Jahr 1991 an getan NASA ‚s Jet Propulsion Laboratory (JPL) auf der Verbesserung der Methoden des ausgelesenen, darunter ein neues Verfahren zur zerstörungsfreies Auslesen mit Impulsen von UV - Strahlung.

FeRAM wurde Ende der 1990er Jahre kommerzialisiert. 1996 stellte Samsung Electronics einen 4- Mb- FeRAM-Chip vor, der mit NMOS-Logik hergestellt wurde . 1998 vermarktete Hyundai Electronics (jetzt SK Hynix ) auch die FeRAM-Technologie. Das früheste bekannte kommerzielle Produkt, das FeRAM verwendet, ist die PlayStation 2- Speicherkarte (8 MB) von Sony , die im Jahr 2000 veröffentlicht wurde. Der von Toshiba hergestellte Mikrocontroller (MCU) der Speicherkarte enthält 32- kb- eingebettetes FeRAM, das unter Verwendung eines 500-nm- komplementären MOS (CMOS) hergestellt wird. Prozess.

Ein bedeutender moderner FeRAM-Hersteller ist Ramtron , ein Fabless-Halbleiterunternehmen . Ein wichtiger Lizenznehmer ist Fujitsu , der die wahrscheinlich größte Halbleiter- Foundry- Produktionslinie mit FeRAM-Fähigkeit betreibt . Auf dieser Linie werden seit 1999 sowohl eigenständige FeRAMs als auch spezialisierte Chips (zB Chips für Smartcards) mit eingebetteten FeRAMs hergestellt. Fujitsu produzierte bis 2010 Geräte für Ramtron. Seit 2010 sind die Hersteller von Ramtron TI (Texas Instruments) und IBM. Seit mindestens 2001 arbeitet Texas Instruments mit Ramtron zusammen, um FeRAM-Testchips in einem modifizierten 130-nm-Prozess zu entwickeln. Im Herbst 2005 berichtete Ramtron, dass sie Prototypen eines 8-Megabit-FeRAM evaluierten, das mit dem FeRAM-Prozess von Texas Instruments hergestellt wurde. Fujitsu und Seiko-Epson arbeiteten 2005 an der Entwicklung eines 180-nm-FeRAM-Prozesses. Im Jahr 2012 wurde Ramtron von Cypress Semiconductor übernommen . Über FeRAM-Forschungsprojekte wurde auch von Samsung , Matsushita , Oki , Toshiba , Infineon , Hynix , Symetrix, der Cambridge University , der University of Toronto und dem Interuniversity Microelectronics Centre (IMEC, Belgien ) berichtet.

Beschreibung

Aufbau einer FeRAM-Zelle

Konventioneller DRAM besteht aus einem Gitter von kleinen Kondensatoren und ihrer zugeordneten Verdrahtung und Signaltransistoren . Jedes Speicherelement, eine Zelle , besteht aus einem Kondensator und einem Transistor, einem sogenannten "1T-1C"-Bauelement. Es handelt sich typischerweise um eine Art MOS-Speicher , der in CMOS- Technologie hergestellt wird. DRAM-Zellen skalieren direkt mit der Größe des Halbleiterherstellungsprozesses , der verwendet wird, um sie herzustellen. Bei dem 90-nm-Prozess, der von den meisten Speicheranbietern zur Herstellung von DDR2-DRAM verwendet wird, beträgt die Zellengröße beispielsweise 0,22 μm², einschließlich des Kondensators, des Transistors, der Verdrahtung und einer gewissen "Leerstelle" zwischen den verschiedenen Teilen - es scheint 35 Die Auslastung in % ist typisch und lässt 65 % des Platzes leer (zur Trennung).

DRAM-Daten werden als das Vorhandensein oder Fehlen einer elektrischen Ladung im Kondensator gespeichert, wobei das Fehlen einer Ladung im Allgemeinen "0" darstellt. Das Schreiben erfolgt durch Aktivieren des zugehörigen Steuertransistors, Entleeren der Zelle, um eine "0" zu schreiben, oder durch Senden von Strom von einer Versorgungsleitung hinein, wenn der neue Wert "1" sein sollte. Das Lesen ist ähnlicher Natur; der Transistor wird wieder aktiviert und leitet die Ladung zu einem Leseverstärker ab . Wenn im Verstärker ein Ladungsimpuls bemerkt wird, hat die Zelle eine Ladung gehalten und liest daher "1"; das Fehlen eines solchen Impulses zeigt eine "0" an. Beachten Sie, dass dieser Vorgang destruktiv ist , sobald die Zelle gelesen wurde. Wenn es eine "1" enthält, muss es erneut auf diesen Wert aufgeladen werden. Da eine Zelle durch Leckströme nach einiger Zeit ihre Ladung verliert, muss sie in Intervallen aktiv aufgefrischt werden.

Das 1T-1C-Speicherzellendesign in einem FeRAM ähnelt im Aufbau der Speicherzelle in einem weit verbreiteten DRAM , da beide Zelltypen einen Kondensator und einen Zugriffstransistor enthalten. Bei einem DRAM-Zellenkondensator wird ein lineares Dielektrikum verwendet, wohingegen bei einem FeRAM-Zellenkondensator die dielektrische Struktur ferroelektrisches Material umfasst , typischerweise Bleizirkonattitanat (PZT).

Ein ferroelektrisches Material weist eine nichtlineare Beziehung zwischen dem angelegten elektrischen Feld und der scheinbar gespeicherten Ladung auf. Insbesondere hat die ferroelektrische Charakteristik die Form einer Hystereseschleife , die in ihrer Form der Hystereseschleife von ferromagnetischen Materialien sehr ähnlich ist . Die Dielektrizitätskonstante eines Ferroelektrikums ist aufgrund der Effekte semipermanenter elektrischer Dipole, die in der Kristallstruktur des ferroelektrischen Materials gebildet werden, typischerweise viel höher als die eines linearen Dielektrikums . Wenn ein externes elektrisches Feld an ein Dielektrikum angelegt wird, neigen die Dipole dazu, sich selbst mit der Feldrichtung auszurichten, was durch kleine Verschiebungen der Positionen der Atome und Verschiebungen der Elektronenladungsverteilungen in der Kristallstruktur erzeugt wird. Nachdem die Ladung entfernt wurde, behalten die Dipole ihren Polarisationszustand. Binäre "0"en und "1"en werden als eine von zwei möglichen elektrischen Polarisationen in jeder Datenspeicherzelle gespeichert. Beispielsweise wird in der Figur eine "1" unter Verwendung der negativen Restpolarisation "-Pr" kodiert, und eine "0" wird unter Verwendung der positiven Restpolarisation "+Pr" kodiert.

Vom Betrieb her ähnelt FeRAM dem DRAM. Das Schreiben erfolgt durch Anlegen eines Feldes über die ferroelektrische Schicht durch Aufladen der Platten auf beiden Seiten derselben, wodurch die Atome im Inneren in die "Auf"- oder "Ab"-Orientierung (je nach Polarität der Ladung) gezwungen werden, wodurch eine "1 ." gespeichert wird " oder "0". Das Lesen ist jedoch etwas anders als im DRAM. Der Transistor zwingt die Zelle in einen bestimmten Zustand, sagen wir "0". Wenn die Zelle bereits eine "0" enthält, passiert in den Ausgangsleitungen nichts. Wenn die Zelle eine "1" hatte, verursacht die Neuorientierung der Atome im Film einen kurzen Stromimpuls im Ausgang, während sie Elektronen aus dem Metall auf der "unten" Seite herausdrücken. Das Vorhandensein dieses Impulses bedeutet, dass die Zelle eine "1" gehalten hat. Da dieser Prozess die Zelle überschreibt, ist das Lesen des FeRAM ein destruktiver Prozess und erfordert ein erneutes Schreiben der Zelle.

Im Allgemeinen ähnelt der Betrieb von FeRAM dem Ferritkernspeicher , einer der primären Formen des Computerspeichers in den 1960er Jahren. Im Vergleich zum Kernspeicher benötigt FeRAM jedoch viel weniger Strom, um den Zustand der Polarität umzukehren, und ist viel schneller.

Vergleich mit anderen Speichertypen

Dichte

Der Hauptfaktor für die Kosten eines Speichersystems ist die Dichte der Komponenten, aus denen es besteht. Kleinere und weniger Bauteile bedeuten, dass mehr Zellen auf einen einzigen Chip gepackt werden können, was wiederum bedeutet, dass mehr auf einmal aus einem einzigen Siliziumwafer hergestellt werden kann. Dies verbessert die Ausbeute, die direkt mit den Kosten zusammenhängt.

Die untere Grenze dieses Skalierungsprozesses ist ein wichtiger Vergleichspunkt. Im Allgemeinen ist die Technologie, die auf die kleinste Zellengröße skaliert, am Ende die kostengünstigste pro Bit. Hinsichtlich des Aufbaus sind FeRAM und DRAM ähnlich und können im Allgemeinen auf ähnlichen Linien in ähnlichen Größen gebaut werden. In beiden Fällen scheint die untere Grenze durch die zum Triggern der Leseverstärker benötigte Ladungsmenge definiert zu sein. Für DRAM scheint dies bei etwa 55 nm ein Problem zu sein, an welchem Punkt die im Kondensator gespeicherte Ladung zu klein ist, um erkannt zu werden. Es ist nicht klar, ob FeRAM auf die gleiche Größe skaliert werden kann, da die Ladungsdichte der PZT-Schicht möglicherweise nicht die gleiche ist wie die der Metallplatten in einem normalen Kondensator.

Eine zusätzliche Beschränkung der Größe besteht darin, dass Materialien dazu neigen, nicht mehr ferroelektrisch zu sein, wenn sie zu klein sind. (Dieser Effekt hängt mit dem "Depolarisationsfeld" des Ferroelektrikums zusammen.) Es wird laufend geforscht, das Problem der Stabilisierung ferroelektrischer Materialien anzugehen; ein Ansatz verwendet beispielsweise molekulare Adsorbate.

Bisher wurden die kommerziellen FeRAM-Bauelemente bei 350 nm und 130 nm hergestellt. Frühere Modelle erforderten zwei FeRAM-Zellen pro Bit, was zu sehr geringen Dichten führte, aber diese Einschränkung wurde inzwischen beseitigt.

Energieverbrauch

Der entscheidende Vorteil von FeRAM gegenüber DRAM besteht darin, was zwischen den Lese- und Schreibzyklen passiert . Im DRAM entweicht die auf den Metallplatten abgeschiedene Ladung über die Isolierschicht und den Steuertransistor und verschwindet. Damit ein DRAM Daten für etwas anderes als für eine sehr kurze Zeit speichern kann, muss jede Zelle periodisch gelesen und dann neu geschrieben werden, ein Vorgang, der als Auffrischen bekannt ist . Jede Zelle muss viele Male pro Sekunde (typischerweise 16 Mal pro Sekunde) aufgefrischt werden, und dies erfordert eine kontinuierliche Stromversorgung.

Im Gegensatz dazu benötigt FeRAM nur Strom, wenn eine Zelle tatsächlich gelesen oder geschrieben wird. Der überwiegende Teil des im DRAM verbrauchten Stroms wird für die Aktualisierung verwendet, sodass der von den STT-MRAM-Forschern zitierte Benchmark auch hier nützlich ist und einen um 99% niedrigeren Stromverbrauch als DRAM anzeigt. Der destruktive Leseaspekt von FeRAM kann jedoch gegenüber MRAM einen Nachteil darstellen .

Ein anderer nichtflüchtiger Speichertyp ist Flash-RAM und erfordert wie FeRAM keinen Auffrischprozess. Blitz funktioniert, indem er Elektronen über eine hochwertige Isolierbarriere schiebt, wo sie an einem Anschluss eines Transistors "steckenbleiben" . Dieser Vorgang erfordert hohe Spannungen, die mit der Zeit in einer Ladungspumpe aufgebaut werden . Dies bedeutet, dass zumindest beim Schreiben eine geringere Leistung von FeRAM als Flash erwartet werden kann, da die Schreibleistung von FeRAM nur geringfügig höher ist als die des Lesens. Bei einem "meist gelesenen" Gerät mag der Unterschied gering sein, aber bei Geräten mit ausgewogeneren Lese- und Schreibvorgängen könnte der Unterschied viel höher sein.

Zuverlässigkeit

Die Datenzuverlässigkeit ist bei F-RAM auch in einer Umgebung mit hohem Magnetfeld im Vergleich zu MRAM gewährleistet . Die F-RAM-Bausteine von Cypress Semiconductor sind immun gegen die starken Magnetfelder und zeigen keine Ausfälle unter den maximal verfügbaren Magnetfeldstärken (3.700 Gauss für die horizontale Einfügung und 2.000 Gauss für die vertikale Einfügung). Darüber hinaus ermöglichen die F-RAM-Bausteine das Überschreiben mit einem anderen Datenmuster, nachdem sie den Magnetfeldern ausgesetzt wurden

Leistung

Die DRAM-Leistung wird durch die Rate begrenzt, mit der die in den Zellen gespeicherte Ladung abgelassen (zum Lesen) oder gespeichert (zum Schreiben) werden kann. Im Allgemeinen wird dies durch die Leistungsfähigkeit der Steuertransistoren, die Kapazität der Leitungen, die Strom zu den Zellen führen, und die Wärme, die dieser Strom erzeugt, definiert.

FeRAM basiert auf der physikalischen Bewegung von Atomen als Reaktion auf ein externes Feld, das extrem schnell ist und sich in etwa 1 ns einpendelt. Theoretisch bedeutet dies, dass FeRAM viel schneller sein könnte als DRAM. Da jedoch zum Lesen und Schreiben Leistung in die Zelle fließen muss, würden die elektrischen Verzögerungen und Schaltverzögerungen wahrscheinlich denen des DRAM insgesamt ähnlich sein. Es scheint vernünftig vorzuschlagen, dass FeRAM weniger Ladung benötigen würde als DRAM, da DRAMs die Ladung halten müssen , während in FeRAM geschrieben worden wäre, bevor die Ladung abgeflossen wäre. Allerdings kommt es beim Schreiben zu einer Verzögerung, da die Ladung durch den Steuertransistor fließen muss, was den Strom etwas begrenzt.

Im Vergleich zu Flash liegen die Vorteile deutlich auf der Hand. Während der Lesevorgang wahrscheinlich eine ähnliche Leistung aufweist, benötigt die zum Schreiben verwendete Ladungspumpe eine beträchtliche Zeit zum "Aufbauen" des Stroms, ein Vorgang, den FeRAM nicht benötigt. Flash-Speicher benötigen gewöhnlich eine Millisekunde oder mehr, um einen Schreibvorgang abzuschließen, während aktuelle FeRAMs einen Schreibvorgang in weniger als 150 ns abschließen können.

Auf der anderen Seite hat FeRAM seine eigenen Zuverlässigkeitsprobleme, einschließlich Aufdruck und Ermüdung. Einprägen ist der bevorzugte Polarisationszustand von vorherigen Schreibvorgängen in diesen Zustand, und Ermüdung ist die Zunahme der minimalen Schreibspannung aufgrund eines Polarisationsverlusts nach ausgedehnten Zyklen.

Die theoretische Leistungsfähigkeit von FeRAM ist nicht ganz klar. Bestehende 350-nm-Geräte haben Lesezeiten in der Größenordnung von 50–60 ns. Obwohl im Vergleich zu modernen DRAMs, die mit Zeiten in der Größenordnung von 2 ns zu finden sind, langsam sind, arbeiten gängige 350-nm-DRAMs mit einer Lesezeit von etwa 35 ns, so dass die FeRAM-Leistung bei gleicher Herstellungstechnologie vergleichbar zu sein scheint.

Anwendungen

Datenlogger in tragbaren/implantierbaren medizinischen Geräten, da FRAM weniger Energie verbraucht als andere nichtflüchtige Speicher wie EEPROM
Ereignisdatenschreiber in Automotive-Systemen zur Erfassung der kritischen Systemdaten auch bei Crash oder Ausfall
FRAM wird wegen seines schnellen Schreibens und seiner hohen Lebensdauer als Smart Meter verwendet
In Industrie-SPS ist FRAM ein idealer Ersatz für batteriegepuffertes SRAM (BBSRAM) und EEPROM, um Maschinendaten wie CNC-Werkzeugmaschinenposition usw.

Vergleiche mit anderen Arten von Erinnerungen

	Ferroelektrischer RAM	Magnetoresistiver Direktzugriffsspeicher	nvSRAM	BBSRAM
Technik	Das grundlegende Speicherelement ist ein ferroelektrischer Kondensator. Der Kondensator kann durch Anlegen eines elektrischen Feldes nach oben oder unten polarisiert werden	Ähnlich wie beim ferroelektrischen RAM, jedoch richten sich die Atome in Richtung einer äußeren Magnetkraft aus . Dieser Effekt wird verwendet, um Daten zu speichern	Verfügt über nichtflüchtige Elemente zusammen mit Hochleistungs- SRAM	Hat eine Lithium- Energiequelle für die Stromversorgung, wenn die externe Stromversorgung ausgeschaltet ist
Vorratsdatenspeicherung	10 Jahre	20 Jahre	20 Jahre	7 Jahre, abhängig von Batterie- und Umgebungstemperatur
Ausdauer	10 ¹⁰ bis 10 ¹⁴	10 ⁸	Unbegrenzt	Begrenzt
Geschwindigkeit (am besten)	55 ns	35 ns	15–45 ns	70–100 ns

Gesamt

FeRAM bleibt ein relativ kleiner Teil des gesamten Halbleitermarktes. Im Jahr 2005 betrug der weltweite Halbleiterumsatz 235 Milliarden US-Dollar (laut Gartner Group ), wobei der Flash-Speichermarkt 18,6 Milliarden US-Dollar (laut IC Insights) ausmachte. Der Jahresumsatz von Ramtron, dem vielleicht größten FeRAM-Anbieter, belief sich 2005 auf 32,7 Millionen US-Dollar. Die im Vergleich zu den alternativen NVRAMs viel größeren Verkäufe von Flash-Speicher unterstützen einen viel größeren Forschungs- und Entwicklungsaufwand. Flash-Speicher werden mit Halbleiterlinienbreiten von 30 nm bei Samsung (2007) hergestellt, während FeRAMs mit Linienbreiten von 350 nm bei Fujitsu und 130 nm bei Texas Instruments (2007) hergestellt werden. Flash-Speicherzellen können mehrere Bits pro Zelle speichern (derzeit 3 in den NAND-Flash-Bauelementen mit der höchsten Dichte), und die Anzahl der Bits pro Flash-Zelle wird aufgrund von Innovationen im Flash-Zelldesign voraussichtlich auf 4 oder sogar auf 8 steigen. Infolgedessen sind die Flächenbitdichten von Flash-Speichern viel höher als die von FeRAM, und somit sind die Kosten pro Bit von Flash-Speicher um Größenordnungen niedriger als die von FeRAM.

Die Dichte von FeRAM-Arrays könnte durch Verbesserungen in der FeRAM-Foundry-Prozesstechnologie und Zellstrukturen erhöht werden, wie z. Eine Verringerung der Zellengröße kann jedoch dazu führen, dass das Datensignal zu schwach wird, um detektierbar zu sein. Im Jahr 2005 berichtete Ramtron signifikante Verkäufe seiner FeRAM - Produkte in einer Vielzahl von Sektoren , einschließlich (aber nicht beschränkt auf) Stromzähler , Automobil- (zB schwarze Boxen , Smart - Airbags ), Büromaschinen (zB Drucker, RAID Festplatten - Controller), Instrumentierung, medizinische Geräte, industrielle Mikrocontroller und Radiofrequenz-Identifikations- Tags. Die anderen aufstrebenden NVRAMs, wie beispielsweise MRAM, könnten versuchen, im Wettbewerb mit FeRAM in ähnliche Nischenmärkte einzusteigen.

Texas Instruments bewies, dass es möglich ist, FeRAM-Zellen mit zwei zusätzlichen Maskierungsschritten während der konventionellen CMOS-Halbleiterfertigung einzubetten. Flash erfordert normalerweise neun Masken. Dies ermöglicht beispielsweise die Integration von FeRAM auf Mikrocontrollern, wo ein vereinfachter Prozess die Kosten senken würde. Die zur Herstellung von FeRAMs verwendeten Materialien werden jedoch bei der Herstellung integrierter CMOS-Schaltungen nicht allgemein verwendet. Sowohl die ferroelektrische PZT-Schicht als auch die für Elektroden verwendeten Edelmetalle werfen CMOS-Prozesskompatibilitäts- und Kontaminationsprobleme auf. Texas Instruments hat in seiner neuen FRAM-Serie eine Menge FRAM-Speicher in seine MSP430- Mikrocontroller integriert.

Siehe auch

Verweise

Externe Links

IC-Chips

Texas Instruments Mikrocontroller mit internem FRAM

Languages

In other projects