FRAM的技术特性和原理

简介

铁电存储器（FRAM，ferroelectric RAM）是一种随机存取存储器，它将动态随机存取存储器（DRAM）的快速读取和写入访问——它是个人电脑存储中最常用的类型——与在电源关掉后保留数据能力（就像其他稳定的存储设备一样，如只读存储器和闪存）结合起来。由于铁电存储器不像动态随机存取存储 器（DRAM）和静态随机存取存储器（SRAM）一样密集（即在同样的空间中不能存储像它们一样多的数据），它很可能不能取代这些技术。然而，由于它能在非常低的电能需求下快速地存储，它有望在消费者的小型设备中得到广泛地应用，比如个人数字助理（PDA）、手机、功率表、智能卡以及安全系统。铁电存储器（FRAM）比闪存更快。在一些应用上，它也有可能替代电可擦除只读存储器（EEPROM）和静态随机存取存储器（SRAM），并成为未来的无线产品的关键元件 

技术特点

首先要说明的是铁电存储器和浮动栅存储器的技术差异。现有闪存和EEPROM都是采用浮动栅技术，浮动栅存储单元包含一个电隔离门，浮动栅位于标准控制栅的下面及通道层的上面。浮动栅是由一个导电材料，通常是多芯片硅层形成的。浮动栅存储单元的信息存储是通过保存浮动栅内的电荷而完成的。利用改变浮动栅存储单元的电压就能达到电荷添加或擦除的动作，从而确定存储单元是在”1” 或“0” 的状态。但是浮动栅技术需使用电荷泵来产生高电压，迫使电流通过栅氧化层而达到擦除的功能，因此需要5-10ms的擦写延迟。高写入功率和长期的写操作会破坏浮动栅存储单元，从而造成有限的擦写存储次数（例如：闪存约十万次，而EEPROM则约1百万次)。

铁电存储器是一种特殊工艺的非易失性的存储器，是采用人工合成的铅锆钛(PZT) 材料形成存储器结晶体，如图所示。当一个电场被施加到铁晶体管时，中心原子顺着电场停在低能量状态I位置，反之，当电场反转被施加到同一铁晶体管时，中心原子顺着电场的方向在晶体里移动并停在另一低能量状态II。大量中 心原子在晶体单胞中移动耦合形成铁电畴，铁电畴在电场作用下形成极化电荷。铁电畴在电场下反转所形成的极化电荷较高，铁电畴在电场下无反转所形成的极化电荷较低，这种铁电材料的二元稳定状态使得铁电可以作为存储器 

特别是当移去电场后，中心原子处于低能量状态保持不动，存储器的状态也得以保存不会消失，因此可利用铁电畴在电场下反转形成高极化电荷，或无反转形成低极化电荷来判别存储单元是在”1”或 “0” 状态。铁电畴的反转不需要高电场，仅用一般的工作电压就可以改变存储单元是在”1”或 “0” 的状态；也不需要电荷泵来产生高电压数据擦除，因而没有擦写延迟的现象。这种特性使铁电存储器在掉电后仍能够继续保存数据，写入速度快且具有无限次写入寿命，不容易写坏。所以，与闪存和EEPROM 等较早期的非易失性内存技术比较，铁电存储器具有更高的写入速度和更长的读写寿命。

原理

FRAM利用铁电晶体的铁电效应实现数据存储。铁电效应是指在铁电晶体上施加一定的电场时，晶体中心原子在电场的作用下运动，并达到一种稳定状态；当电场从晶体移走后， 中心原子会保持在原来的位置。这是由于晶体的中间层是一个高能阶，中心原子在没有获得外部能量时不能越过高能阶到达另一稳定位置，因此FRAM保持数据不需要电压，也不需要像DRAM一样周期性刷新。由于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，所以FRAM存储器的内容不会受到外界条件诸如磁场因素的影响，能够同普通ROM存储器一样使用，具有非易失性的存储特性。

存储结构

FRAM的存储单元主要由电容和场效应管构成，但这个电容不是一般的电容，在它的两个电极板中间沉淀了一层晶态的铁电晶体薄膜。前期的FRAM每个存储单元使用两个场效应管和两个电容，称为“双管双容”（2T2C），每个存储单元包括数据位和各自的参考位。2001 年Ramtron设计开发了更先进的"单管单容"（1T1C）存储单元。1T1C的FRAM所有数据位使用同一个参考位，而不是对于每一数据位使用各自独立的参考位。1T1C的FRAM产品成本更低，而且容量更大 。

FRAM具有下列优势：

🔹能够在电源中断的瞬间备份数据

🔹能够进行频繁的数据记录

🔹能够保证更长的电池寿命