铁电随机存取存储器即将登场

上网时间: 2015年02月12日? 我来评论 【字号: ? ?小】

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研发剌激生产销售 价格降低指日可待

铁电随机存取存储器(RAM)即将登场,它远胜于电气拭除式可编程只读存储器(EEPROM)和后备电 池静态随机存取存储器(SRAM),虽然还需假以时日, 但近来铁电存储器的开发已令人欣喜地看到极限存储器 的曙光——新研制出使用寿命达100亿次读/写周羅理想铁电性RAM。

目前,虽只有一家美国公司同其日本伙伴一起大批量生产小容量铁电性随机存取存储 器(RAM),但先进产品的开发,速度惊人,几家供应商 预测,下一世纪,铁电性RAM将从EEPROM和低电 压SRAM处夺取约30%的市场。

现时供应的产品是4Kbit与16Kbit铁电性RAM, 而64Kbit产品的样品亦已出现。一些厂商正在开发 256Kbit产品’且预计明年将可上市。

开发重点不仅是开发新材料,如Symetrix Corp.的 Y - 1或铁电性BST(钛酸钡锶),还有对铁电性材料 PZT(钛酸钡锆)的改进。

研发还注重铁电性薄膜的沉积与大批量生产中再生 产性的确保。就在Rohm的研究人员已宣布研制出一种 金属-铁电性-金属-绝缘体-半导体场效应晶体管 (MFMISFET)的同时,其他公司亦在进行研究。

虽然美国和日本厂商的研究日见成效,但是,在欧 洲,有关铁电性存储器项目的合作情况却仍 不得而知。不过,一个由行业、政府及大专院校联手进 行的项目FELMAS就是针对高密度存储器的。

美国

理想的存储器产品是无电保存型且具有无限读/写周期、超高密度、极快读/写速度及低成本特点的。就现有的技术水平而言,这种想法可能是有希望的,但研究者却从理论上的理想存储技术,如铁电性存储技术出发,研制实用的装置。

该技术基于某种具有两个稳定极化状态的结晶体材 料的铁电性质。铁电性材料在电场中以一种极化状态存 在(在一个存储单元中,当有内容写给它时,材料就会转 变),并在电场消失后仍保持不变。材料保持极化的条件是,无附加场或电流。运用了此类材料,就有可能形成 一种在无电情况下仍保持存储内容的存储器,即理想的 无电保存型存储器。

铁电性RAM的优点是:100亿次读/写周期,{见后 文)寿命长于EEPROM ;速度快,它没有写给EEP- R0M时所需的10ms延迟;成本低,不需要电池或电 容;且比后备电池SRAM小。

对铁电存储器的研究有两个重点。首先是开发和合 成更有能力的铁电性材料。最早用于铁电性存储器中的 ;材料,PZT(钛酸铅锆),正在被改善,并在一些情况中 为Symetrix Corp的Y -1或铁电性BST(钛酸钡锶)等 新铁电性材料所取代。其次是处理技术和设备。美国与日本的研究者正在 研究铁电性薄膜的沉积工艺及确保大批量铁电性集成电路生产中再生产性的技术。

Ramtron Int. Corp.,建于1984年,主要以铁电性与高性能动态随机存取存储器(DRAM)技术,生产半导体 存储器产品。公司的总部和工厂设在科罗拉多州的科罗 拉多斯普林斯。有雇员120名,去年销售额达710万美元。

Ramtron公司是唯一一家批量生产铁电性随机存取 存储器(RAM),并投放普通市场的公司。据铁电性 RAM生产发言人称,公司拥有铁电性与半导体相结合的 主要专利。

发言人表示:“同EEPROM的100,000周期,或 每小时一次10年的寿命相比,此产品是每30ms被读/ 写一次,或者每秒30次以上10年。”

该公司上市了三种以FRAM为商标的存储器产品。 FM1208S是一种512字x 8位的4Kbit CMOS铁电随机 存取存储器。特点包括:200ns读取和400ns读/写循环 时间;5V±10%操作电压;10mA操作电流;1(XVA待 命电流;O℃至70℃:操作温度。封装为24管脚双列直插 式封装或小外型封装,1,000块订量的售价为每块3.08 美元。

FM 24C04是一种512字X 8位的4Kbit铁电随机存 取存储器,带有双线串行口。

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Ramtron 的 FM1208S 是一种 4Kbit CMOS

该产品运用低功率CMOS技术处理,操作电压为 5V ;有效电流为l00μA ;待命电流为25μA ;操作温度为-40℃至85℃:。FM 24C04封装为8管脚迷你型双列直插式封装或小外型集成电路(SOIC),对1,000块的订量,每块售价为1.82美元。

FM 24C16是2K字x 8位的16Kbit铁电随机存取存储器,带有双线串行口。采用低功率CMOS技术处理的该产品,操作电压为5V ;有效电流为100) μA ;待命电流为25μA ;操作温度范围为-40℃至85℃。封装为8管脚迷你型单列直插式封(SIP)或小外型集成电路(SOIC),对1,000块的订量,每块售价为4美元。

所有的铁电性RAM产品都具有100亿次读/写周期和10年数据保存时间。

生产发言人称,公司正在研制将于明年推出的新铁电性RAM产品,研发主要针对特殊应用产品。

Ramtron已同日立和Rohm公司签订协议,一起研制高密度铁电RAM芯片。首先计划明年上市256Kbit铁电随机存取存储器。

位于科罗拉多州科罗拉多斯普林斯的Symetrix Corp.,作为一家研究与开发公司建立于1986年,该私营公司有雇员14名。研发重点是用于微电子电路的薄膜陶瓷材料技术。

Symetrix已研制出一种公司专有 的,名为Y-1的铁电性材料,生产权 已许可给R.amtron和Micron等半导体 厂商。发言人称:“Y-1是一种混合 物,它经配置设计的铁电性材料弥补了 其他材料的不足之处。”

发言人指出,与PZT不同,Y -1的操作电压仅为 1.2V。而且,速度相当于PZT的两倍,并可被制成 l00nm的薄膜。他说:“ PZT只能做到250nm,若再薄 一些,它的铁电性就会非常微弱。”

据发言人称:“ Y -1与硅相容,并可直接置于二氧 化硅之上;这对PZT来说,是不可能的。”他还指出, 在大大低于退火温度时,PZT便开始散发大量的铅雾。 而Y - 1的材料不会阻碍CMOS工艺。Y -1的寿命也 特长一100亿次读/写周期一可在1. 5V下设定。

Symetrix和松下电子公司已合作研制了一种可重写 1万亿次以上的256Kbit铁电性RAM。此产品采用一种 1.25um CMOS单层铝工艺。该32K字X 8位芯片,尺寸为5.3毫米X 7.9毫米。存取时间为100ns,其3V的 操作电压是闪速存储器的四分之一。样品将在两年内装 运出售。

Symetrix并不是一家生产公司。因此,在试产阶 段,它只将铁电性存储器出售给经挑选的小批量试生产 客户。

康涅狄格州丹伯里的Advanced Technology Materials Inc. (ATMI),发言人称,公司的研发部门致力于铁电性材料集成电路的制造。

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ATMI的NovaMOS部门正在领导一项投资1,000 万美元,为期三年的研究项目,该项目由联邦政府的 Advanced Research Projects Agency(ARPA)发起,旨 在开发批量生产用于芯片的铁电性材料BST所需的处理 技术 ° 其它参与者是:North Carolina State Universi?ty ;AG Associates,一家半导体设备厂商;及二家大的 美国 DRAM 厂商:IBM Corp.、Texas Instruments Inc ?和 Micron Semiconductor。

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ARPA已发起一个1千万美元的研究计划

发言人表示:“铁电性材料已面临进入1C技术领域 的危机时刻:缺乏满足高密度集成电路要求的制造工 艺。” ATMI的研究便是针对了铁电性材料的生产和集成。发言人说:“要改变两三个步骤,就必须首先确 定,如此改变不会影响到其他方面,这是把铁电性材料 转变成大容量、高密度集成块所需要的。”

ATMI与Symetrix两家公司都在投资研究采用化学汽相沉积(CVD)技术和设备来生产更高密度的铁电存储器的方法。

Micron Technology Inc ?的分公司,Micron Semi?conductor Inc.,位于爱达荷州博伊西。主要生产用于 消费电子品、CAD / CAM、远程通信设备及相关工业的 动态随机存取存储器(DRAM)、静态随机存取存储器 (SRAM)和视频随机存取存储器(VRAM)元件。

该公司今年5月,宣布与Symetrix公司签订了一项 许可协议,允许 Micron Semiconductor 使用 Symetrix 的 Y-l°

并且,Micro、Symetrix 及 Sandia National Lab-oratory 还同ARPA缔约,联合开发密度高于市场上其 他铁电性存储器的1Mbit铁电性RAM芯片的制造技 术。据MicronSemiconductor的发言人称,此项研究着 力于解决铁电性的可靠性问题。

发言人指出,铁电RAM的寿命较闪速存储器长, 但若把它用作主存储器的话,PZT的100亿次读/写周 期仍不够长,因为主存储器需要每秒钟被写给1,000万次。他又表不:“虽然不能完全解决问题,Symetrix的 Y-1仍有了显著提高,它的使用寿命几乎接近无限。”

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铁电存储器适用于游戏机

该公司正寻找更佳途径把铁电材料运用于集成电 路。发言人表示:“高密度的另一个问题是该工艺流程 大相径庭,存储单元构造方式必须调整。现有的工艺把铁电电容器放在晶体管的一边,占据了太多空间。”

曰本

在日本,铁电RAM产业的研究同几家美国公司特别是 Ramtron有着密切联系。

虽然铁电随机存取存储器仍处于初级阶段,主要原 因是难于把铁电性同硅晶圆片相结合,但随着长于高密 度存储器芯片技术的日本厂商的入行,该市场将会飞速 增长。

小容量铁电随机存取存储器正逐步取代电话机、传 真机及激光打印机中的小容量EEPROM和后备电池 SRAM。铁电RAM同其他相同容量的无电保存型存储 器芯片间的价格差异在缩小。

日本供应商还为薄膜Y -1同Symetrix Corp.保持 联系,因为该产品有助于开发适用于非接触集成块的 256Kbit样片。另外还有Oki Electric、夏普及东芝等公 司也在从事铁电性存储器设备的生产。

日立公司,建于1920年,主要生产各类存储器芯 片、微控制器及特殊应用集成电路(ASIC)等集成电路/ 大规模集成电路。94年4月,继1992年的联合生产铁电性产品协议之后,又同Ramtron公司签署了一份合作研 制铁电随机存取存储器的五年协议。

在开始生产兆位芯片之前,日立将首先设计和生产 一种256Kbit芯片,并结合Ramtron的普通铁电性存储 器技术和自己的CMOS LSI生产技术生产。然后,通过 自己的销售和市场渠道分销。

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Ramtron的4Kbit FRAM可用于机器人

据预计256Kbit芯片样品的装运将始于明年。日立 将于1995年底,在其位于东京西部武藏的工厂中,建立 一条用于批量生产的专用铁电生产线。并计划在此期 间,每月生产几十万块产品。

在该256Kbit芯片中,日立将采用0.8pm至lμm CMOS工艺和PZT铁电性薄膜。

该铁电RAM被称为存储器设备的极品,由于它既能提供DRAM的读/写特性,且使用寿命长于EEP- ROM和闪速存储器芯片,作为无电保存存储器,还能在 电源切断时,保存数据。铁电RAM还具有低功耗的特

日立预计,到1996年,铁电存储器芯片将占据20%的世界EEPROM和低电压SRAM市场,而世纪之交,将上升至30%。256Kbit铁电芯片的潜在应用包括 移动电话、个人数据辅助设备及电玩机等可携式设备。

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样片具有1兆周期的读写寿命

Rohm Co. Ltd,建于1958年,是一家设在京都的集成电路/大规模集成电路厂商,产品主要包括线性集成电 路、存储器芯片、微控制器及门阵列。去年,她同 Ramtron公司一起进行了开发、生产和销售铁电RAM 的协作。协作中,Rohm把经过加工的CMOS晶圆片提 供给掌握了铁电薄膜工艺的Ramtron公司。两家公司还 将共同研制内置铁电存储器的单片微控制器和定制大规模集成电路。

除了共同研究新一代的大容量设备外,协议的第二 部分内容是,在Rohm公司建立一条完整的生产线。

Rohm预计在今后5年内,铁电RAM的市场将达 99,200万美元。多媒体设备是其中一项最有潜力的应用。

公司除供应16Kbit和64Kbit产品的样品外,还批 量投产了两种4Kbit Ramtron铁电RAM。另一种| 16Kbit芯片正在开发之中。这些产品皆工作于单一 5V I 电源,并且所有的输入与输出都具TTL / CMOS兼容 性。

FM1208S产品是一种512字X8位的4Kbit芯片。| 规格是:读取时间,200ns ;读/写循环时间,400ns ;读/写寿命,100亿周期;工作电流,10mA ;待命电 流,l00μA。在断电情况下,可保存数据10年。24管脚 双列直插式封装和小外型封装的该4Kbit芯片,具有片 上数据保护电路,并采用JEDEC标准字宽的SRAM引 出脚。

512字x 8位的4Kbit FM 24C04串行存储器,特性 是:工作电流,100μA ;待命电流,25μA ;读/写寿命, 100亿周期;10年数据保存时间;操作温度,-40℃至 85℃。

该产品支持串行芯片通信的行业标准一双线协议, 具有8管脚双列直插式封装和小外型封装。管脚兼容于 几家供应商的芯片,可直接替代Xicor X24CC04。

该公司还供应Ramtron的16Kbit FM 24C16和 64Kbit FM1608 产品的样品。2,048 字 x 8 位 FM 24C16 串行存储器,适合于配置信息、用户可编程数据/特 征、及校准数据的存储。规格是:读/写寿命,100亿周 期;10年数据保存时间;工作电流,1CXVA ;待命电 流,25μzA;操作电压,5V;操作温度,-40℃至 80℃。封装为8管脚迷你型DIP和SOP的该产品,可 直接替代Xicor X24C16。

4Kbit铁电RAM可用于激光打印机、射频识别系 统、空调器、摄像机、机器人及调制解调器,而64Kbit 设备则适用于影印机、测量设备及投影电视接收器。

松下电子公司,建于1952年,主要生产微控制器、特殊 应用集成电路(ASIC)、存储器芯片等各类1C / LSI。半 导体产品在日本、马来西亚和美国生产。

在1994年的国际固态电路会议上,松下推出一种同 Symetrix Corp.联合研制,并采用了她的Y-1铁电薄 膜的256Kbit铁电RAM样片。

该样片用单一 3V电源驱动,读/写寿命达1万亿 周期。其他规格包括:工作电流,3mA ;待命电流, 0.lμA ;存取时间,100ns ;读/写循环时间,200ns。 它通过使用一种新研制的参考电压发生电路,而成功地 采用了单晶体管、单电容器存储单元结构。

在决定改进铁电薄膜工艺的同时,公司还打算在 1995年第三季度开始供应样品,样品计划用于可携式数 据通信终端、笔控型电脑及无电保存型存储器。

松下预计到1997年以后,铁电RAM与相同容量的 SRAM之间的价格差距将为缩小,而铁电RAM同 DRAM之间的价格差距则要到2000年才会减小。某公司的一位发言人称,市场上铁电RAM的价格几乎可与 容量相同的EEPROM竞争。

公司预计在未来5年中,256Kbit或更大容量铁电 RAM将会有价值49,600万美元的市场。

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松下公司还考虑开发一种新的化学汽相沉积技术来 取代现有的溶胶一凝胶旋转涂层技术,并计划用一种非 均质性干腐蚀工艺来取代离子研磨法。

欧洲

在欧洲,对铁电性存储器进行的唯一工作,就是一项由 欧共体(EU)发起的,被称之为FELMAS的调査研究项 目。欧共体有一项支持行业、政府及大专院校合作者间 共同协作研发的政策,旨在共同分担成本与风险,并结 合合作者们的力量,加快研究进程。可是,计划的成功 率却非常低,平均每年的弃置率达80%至90%。

在欧洲的努力明显落后于美国的情况下,1990年企 图使欧共体支持铁电性存储器研究的首次努力却以失败 而告终。但1991年,在微电子ESPRIT计划中支持了 该FELMAS项目。

FELMAS合作中包括三家非官方公司和三家实验 室。非官方公司是荷兰的飞利浦;法国的Thomson- CSF及英国的GEC。实验室是比利时的IMEC ;法国 LETI ;和瑞士的EPFL的陶瓷实验室。就在欧共体资" 助了其成员50%预算的同时,陶瓷实验室还受到了瑞士政府的资助。

该项自1992年5月开始的两年计划,主要目的是用 实验证明生产高密度无电保存型存储器用的铁电膜的可行性,及采用现有的CMOS技术集成。因此,该项目涉 及到无电保存型铁电存储器的各个方面,其中大部分合 作者都被指派了一定任务。

FELMAS项目的第一年,将致力于基础方面,即铁 电性电容(FECAP)制造,包括电极、阻挡层及薄膜;集 成技术,包括FECAP的配置、铁电性与CMOS工艺的 结合、及杂质问题;和一种测试结构评估模式TSEM的 设计。

加工和测试TSEM是第二年的任务。TSEM包含 许多专用CMOS测试模组,如二极管、晶体管和电阻装 置;专用铁电模块,包括各种区域和形状的FECAP和 电阻装置;简化存储单元。还有评估用于传感应器应用 的铁电膜测试装置。

由于最终目的是高密度存储器,因此,该项目的重 点是类似于DRAM的单晶体管、单电容器(IT / 1C)单 元结构。所有现有的电容生成法中,将铁电性材料和电 极完全沉积,然后再腐蚀的方法,被认为是最适合于高 密度应用的。

所需的铁电性材料,应具备高残余极化,低压转换 及良好的耐用性。故而,该项目致力于具有晶变相界附 近结构的的PZT。

低电极需要内部材料以经受铁电绝缘膜处理,而为 了在两个转换极之间保持对称,故高电极亦需相同的材 料。通常,电极是由铂膜和作为增粘剂的钛膜组合而成。硅基板和铁电层之间的扩散问题引出了另一种电极 材料一氧化钌。

沉积铁电膜的可行性方法有:旋转涂层/溶胶-凝 胶、溅射沉积和有机金属化学汽相沉积(OMCVD)。而 高密度应用中,所需的沉积必须保障晶圆片的均匀性、 高增长率及良好的台阶覆盖,对此,OMCVD法最能令 人满意。铂和氧化钌通过溅射沉积。所有沉积技术都要 求氧化环境中,膜处理温度范围为450℃至750℃。

只有非均质性干蚀技术可用来制造超微电容器。对 铂,现只有一种溅射腐蚀,而PZT和氧化舒则可采用新 的等离子腐蚀与反应离子腐蚀(RIE)技术。

在结合铁电工艺与CMOS工艺的过程中,只要把 FECAP设在多晶硅门的上面或漏极的顶端,就可获得 最高密度。可另一方面,在后一种情况中缩小电容器和 晶体管之间的距离,会增加有害离子扩散至晶体管区域 的可能性。因而,便需采用氧化钌作为阻挡材料。

FELMAS项目研究的铁电存储器的最低规格是:操 作电压,3.3V ;最大转换电压,2V ;最少数据保存时 间,10年;操作温度’ 0℃至l00℃。

虽然FELMAS中研究的内容是绝密的,但其中有 大部分已经或即将以书面形式或产品介绍的方式供给科研团体。

本文为《国际电子商情》原创,版权所有,谢绝转载


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