那些已經(jīng)在鐵電RAM(FRAM)上投下“賭注”的半導(dǎo)體供應(yīng)商已在致力于從獨(dú)立器件轉(zhuǎn)向可將非易失性存儲(chǔ)器嵌入到CMOS邏輯芯片中。開發(fā)人員認(rèn)為,要進(jìn)入這個(gè)新時(shí)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(jīng)開發(fā)出與CMOS工藝相兼容的嵌入式FRAM,而且性能并沒有因?yàn)槎鄬踊ミB工藝而受到損害。為利用FRAM的特性優(yōu)勢(shì),松下打算超越競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手,在今年開始率先使用微米工藝量產(chǎn)帶有嵌入式FRAM的系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)。

松下的第一款帶有嵌入式FRAM的器件是為IC卡應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一款包含64kb FRAM和外圍電路的簡(jiǎn)單8位微處理器。

“這是我們技術(shù)的第一個(gè)實(shí)際成果。我們將以合理的成本為其它應(yīng)用(如蜂窩電話)提供更大容量的嵌入式FRAM,”松下半導(dǎo)體公司總裁Susumu Koike說,“松下有意使嵌入式FRAM業(yè)務(wù)在不久的將來成為我們支柱業(yè)務(wù)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(jì)劃投入試生產(chǎn),并打算在12月開始批量生產(chǎn),初始產(chǎn)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(yōu)點(diǎn)。但同時(shí),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(diǎn),這些缺點(diǎn)使得FRAM應(yīng)用難以全面起飛。

松下的工程師側(cè)重于克服這些缺點(diǎn)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(jīng)開發(fā)出一些基礎(chǔ)技術(shù),將來當(dāng)SoC大規(guī)模集成電路(LSI)進(jìn)一步縮減規(guī)模時(shí),我們就可以使用這些技術(shù),”Koike表示。松下的FRAM發(fā)展規(guī)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(chǎn)品的核心是一種氫保護(hù)技術(shù),該公司稱之為全包裹氫屏障(FEHB)技術(shù)。制造多重互連層的工藝將會(huì)產(chǎn)生氫氣,這些氫氣將損害FRAM的性能。

“對(duì)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(shù)開發(fā)中心器件組顧問Kazuo Sato指出,“最大的挑戰(zhàn)是如何使FRAM不受氫氣的影響。”

松下的工程師使用一個(gè)保護(hù)結(jié)構(gòu)把整個(gè)鐵電電容(由鍶鉍鉭酸鹽層和夾在兩側(cè)的電極組成)包裹起來。在多層互連工藝中,這個(gè)屏障可保護(hù)鐵電電容不受氫氣的損害。“由于這個(gè)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(shù),”Sato介紹道。因此,現(xiàn)有IPKE可以象FRAM一樣用于同一個(gè)芯片上,無需任何改動(dòng)和調(diào)整。

松下已經(jīng)開發(fā)出一種采用平面布局、由兩個(gè)三極管和兩個(gè)電容器組成的傳統(tǒng)型FRAM單元。但該公司的新型嵌入式FRAM采用的是堆棧結(jié)構(gòu),由一個(gè)三極管和一個(gè)電容器組成。這種結(jié)構(gòu)在DRAM中十分常見,在一些FRAM原型中也有應(yīng)用。“使用FEHB技術(shù),這種結(jié)構(gòu)可以在FRAM中方便地得到實(shí)現(xiàn),”Sato說。

現(xiàn)有的FRAM器件在5V到3V的電壓下工作,而大多數(shù)SoC目前的工作電壓為。松下公司的傳統(tǒng)型FRAM帶有一個(gè)200到300納米厚的電容器,該產(chǎn)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(lián)合Symetrix公司,基于后者的鍶鉍鉭酸鹽材料進(jìn)行FRAM的開發(fā)。

這種無鉛鍶鉍鉭(SBT)材料具有一種稱為分層結(jié)構(gòu),由鐵電層和夾在兩側(cè)的鉍氧化物層組成(在兩層個(gè)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(hù)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(chǔ)器的有力競(jìng)爭(zhēng)者,但其它下一代非易失性存儲(chǔ)器(如磁阻RAM和Ovonic統(tǒng)一存儲(chǔ)器)也在興起。松下的Koike認(rèn)為每一種都會(huì)有自己的一席之地和作用。“各種存儲(chǔ)器都將被分別用于最合適的應(yīng)用中。在存儲(chǔ)應(yīng)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(diǎn)使之成為最適于嵌入式應(yīng)用,”他指出。

在0.6微米工藝下,松下現(xiàn)在每月可以制造3百萬片F(xiàn)RAM。加上微米和微米的產(chǎn)品,松下的目標(biāo)是在幾年之內(nèi)達(dá)到每月1千萬片的產(chǎn)能。

根據(jù)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(quán)技術(shù)的基于鍶鉍鉭材料的器件和使用Ramtron國(guó)際公司授權(quán)技術(shù)的基于鉛鋯鈦(PZT)薄膜材料的器件。使用Ramtron的授權(quán)技術(shù),TI公司于去年11月開發(fā)出一款將處理器、外圍電路和64Mb FRAM集成在一起的產(chǎn)品,并使用微米CMOS工藝進(jìn)行生產(chǎn)。該公司把嵌入式FRAM看成是下一代非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)并大勢(shì)推廣其低成本、高密度和低功耗等優(yōu)點(diǎn)。TI計(jì)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(jì)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(jì)劃是,通過從0.5到微米工藝的轉(zhuǎn)移,在今年晚期推出一系列嵌入式FRAM產(chǎn)品。該公司給出了如下對(duì)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(shù)不受限制；FRAM的內(nèi)部寫電壓為5/,而閃存和EEPROM分別為12V和20V。

“我們已經(jīng)開始在做的是在一種存儲(chǔ)器方案中集成進(jìn)去一些系統(tǒng)級(jí)的元件(主要包含混合信號(hào)或?qū)Ｓ玫臄?shù)字功能,但還不是一個(gè)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(yè)公司從去年二月開始同Symetrix聯(lián)合開發(fā)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(jié)構(gòu)。這將在理論上消除對(duì)寫次數(shù)的限制。Oki打算在明年早期提供采用微米工藝生產(chǎn)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(chǎn)基于PZT的FRAM的批量供應(yīng)商,該公司計(jì)劃在2004財(cái)年的某個(gè)時(shí)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(xiàn)在使用一個(gè)微米生產(chǎn)線制造獨(dú)立FRAM器件。

為節(jié)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(guó)公司的FRAM 營(yíng)銷經(jīng)理Tong-Swan Pang宣稱。目前他們擁有成熟的庫(kù)和IP,這有助于降低用戶采用該技術(shù)的風(fēng)險(xiǎn),Pang說。“我們?cè)趯頃?huì)轉(zhuǎn)移到微米,但轉(zhuǎn)移的快慢程度將取決于我們可以從中獲得多少利潤(rùn),”他補(bǔ)充道。

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

作者:原好子、沈辛