那些已經在鐵電RAM(FRAM)上投下“賭注”的半導體供應商已在致力于從獨立器件轉向可將非易失性存儲器嵌入到CMOS邏輯芯片中。開發人員認為,要進入這個新時代,在工藝和材料方面還存在很多障礙,但跨越這些障礙的橋梁正在向前延伸。

松下電器公司透露,他們已經開發出與CMOS工藝相兼容的嵌入式FRAM,而且性能并沒有因為多層互連工藝而受到損害。為利用FRAM的特性優勢,松下打算超越競爭對手,在今年開始率先使用微米工藝量產帶有嵌入式FRAM的系統級芯片(SoC)。

松下的第一款帶有嵌入式FRAM的器件是為IC卡應用而設計的一款包含64kb FRAM和外圍電路的簡單8位微處理器。

“這是我們技術的第一個實際成果。我們將以合理的成本為其它應用(如蜂窩電話)提供更大容量的嵌入式FRAM,”松下半導體公司總裁Susumu Koike說,“松下有意使嵌入式FRAM業務在不久的將來成為我們支柱業務之一”。

這種新型器件采用微米CMOS工藝制造,工作電壓為。松下已計劃投入試生產,并打算在12月開始批量生產,初始產能為每月50萬片。

FRAM具有非易失性、寫速度快(比閃存快10倍)和低功耗等優點。但同時,它也有諸如難以制造、單元尺寸大、成本高和供電電壓高等缺點,這些缺點使得FRAM應用難以全面起飛。

松下的工程師側重于克服這些缺點并尋找一種可以將FRAM與CMOS邏輯集成在一起的工藝。“我們已經開發出一些基礎技術,將來當SoC大規模集成電路(LSI)進一步縮減規模時,我們就可以使用這些技術,”Koike表示。松下的FRAM發展規劃是:在2005年推出微米的嵌入式FRAM,在2007年推出帶有可配置處理器的90納米FRAM器件。

松下產品的核心是一種氫保護技術,該公司稱之為全包裹氫屏障(FEHB)技術。制造多重互連層的工藝將會產生氫氣,這些氫氣將損害FRAM的性能。

“對于SoC LSI,至少三到五層的多層互連是必不可少的,”松下的ULSI工藝技術開發中心器件組顧問Kazuo Sato指出,“最大的挑戰是如何使FRAM不受氫氣的影響。”

松下的工程師使用一個保護結構把整個鐵電電容(由鍶鉍鉭酸鹽層和夾在兩側的電極組成)包裹起來。在多層互連工藝中,這個屏障可保護鐵電電容不受氫氣的損害。“由于這個屏障把鐵電電容同其它CMOS部分隔離開來,FRAM不影響任何CMOS參數,”Sato介紹道。因此,現有IPKE可以象FRAM一樣用于同一個芯片上,無需任何改動和調整。

松下已經開發出一種采用平面布局、由兩個三極管和兩個電容器組成的傳統型FRAM單元。但該公司的新型嵌入式FRAM采用的是堆棧結構,由一個三極管和一個電容器組成。這種結構在DRAM中十分常見,在一些FRAM原型中也有應用。“使用FEHB技術,這種結構可以在FRAM中方便地得到實現,”Sato說。

現有的FRAM器件在5V到3V的電壓下工作,而大多數SoC目前的工作電壓為。松下公司的傳統型FRAM帶有一個200到300納米厚的電容器,該產品的工作電壓為3V,如果此電容更薄一些,工作電壓就可以更低一些。

松下從1996開始聯合Symetrix公司,基于后者的鍶鉍鉭酸鹽材料進行FRAM的開發。

這種無鉛鍶鉍鉭(SBT)材料具有一種稱為分層結構,由鐵電層和夾在兩側的鉍氧化物層組成(在兩層個鉍氧化物之間的鐵電層厚度約為5納米)。正是由于鉍氧化物層可以保護鐵電層不受損害,松下的工程師才可以把電容的厚度減小到100納米,并把工作電壓降低到。

盡管FRAM有望成為非易失性存儲器的有力競爭者,但其它下一代非易失性存儲器(如磁阻RAM和Ovonic統一存儲器)也在興起。松下的Koike認為每一種都會有自己的一席之地和作用。“各種存儲器都將被分別用于最合適的應用中。在存儲應用中,磁阻RAM(MRAM)將有很大的潛力。但FRAM工藝與CMOS工藝極為相似的特點使之成為最適于嵌入式應用,”他指出。

在0.6微米工藝下,松下現在每月可以制造3百萬片FRAM。加上微米和微米的產品,松下的目標是在幾年之內達到每月1千萬片的產能。

根據所使用的新材料,可以把FRAM粗略地分成兩大類:使用Symetrix公司授權技術的基于鍶鉍鉭材料的器件和使用Ramtron國際公司授權技術的基于鉛鋯鈦(PZT)薄膜材料的器件。使用Ramtron的授權技術,TI公司于去年11月開發出一款將處理器、外圍電路和64Mb FRAM集成在一起的產品,并使用微米CMOS工藝進行生產。該公司把嵌入式FRAM看成是下一代非易失性存儲器技術并大勢推廣其低成本、高密度和低功耗等優點。TI計劃在明年提供一款帶有嵌入式FRAM的3G單芯片射頻器件,并計劃在2005年(超前于松下的2007年)推出90納米嵌入式FRAM器件。

Ramtron自己的計劃是,通過從0.5到微米工藝的轉移,在今年晚期推出一系列嵌入式FRAM產品。該公司給出了如下對比:FRAM的寫速度為180納秒,與之相比,閃存和EEPROM的寫速度分別為1秒和3毫秒,但寫次數不受限制；FRAM的內部寫電壓為5/,而閃存和EEPROM分別為12V和20V。

“我們已經開始在做的是在一種存儲器方案中集成進去一些系統級的元件(主要包含混合信號或專用的數字功能,但還不是一個處理器)以制造出一些更為專用的器件,”Ramtron的FRAM副總裁Mike Alwais說。

Oki電氣工業公司從去年二月開始同Symetrix聯合開發嵌入式FRAM。它使用與松下相同的鐵電材料,但使用一種非破壞性的讀出單元結構。這將在理論上消除對寫次數的限制。Oki打算在明年早期提供采用微米工藝生產的工程樣片。

富士通公司是Ramtron公司的伙伴之一,并是目前唯一一家生產基于PZT的FRAM的批量供應商,該公司計劃在2004財年的某個時候開始使用微米工藝制造帶有嵌入式FRAM的SoC器件。該公司現在使用一個微米生產線制造獨立FRAM器件。

為節省成本,富士通在低成本的晶圓廠采用和0.5微米工藝制造嵌入式FRAM,富士通微電子美國公司的FRAM 營銷經理Tong-Swan Pang宣稱。目前他們擁有成熟的庫和IP,這有助于降低用戶采用該技術的風險,Pang說。“我們在將來會轉移到微米,但轉移的快慢程度將取決于我們可以從中獲得多少利潤,”他補充道。

東芝公司和億恒科技公司從2001年開始就在聯合開發PZT型FRAM,并在今年二月發布了一款使用0.2微米工藝生產的32Mb原型,工程樣片也即將問世。

作者:原好子、沈辛