Ferroelectric Random Access Memory

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Als Ferroelectric Random Access Memory (FRAM oder FeRAM) bezeichnet man einen nichtflüchtigen elektronischen Speichertyp auf der Basis von Kristallen mit ferroelektrischen Eigenschaften.

Ferroelektrika weisen dem Ferromagnetismus analoge elektrische Eigenschaften auf.

Der Aufbau entspricht dem einer DRAM-Zelle, nur wird anstelle eines konventionellen Kondensators ein Kondensator mit ferroelektrischem Dielektrikum (FC) eingesetzt. Ferroelektrische Materialien können analog zu ferromagnetischen Materialien eine permanente elektrische Polarisation auch ohne externes elektrisches Feld besitzen. Durch ein externes Feld kann diese Polarisation in eine andere Richtung „umgeschaltet“ werden, worauf der Speicher-Mechanismus der FRAMs beruht.

Ein häufig verwendetes Ferroelektrikum ist das im Perowskit-Typ kristallisierende Bariumtitanat, BaTiO₃. Die positiv geladenen Titan-Ionen richten sich zu einer Seite des Kristalls aus, während sich die negativ geladenen Sauerstoff-Ionen zur gegenüberliegenden Seite ausrichten, wodurch sich ein Dipolmoment und damit die permanente Polarisation des gesamten Kristalls ergibt.

[Bearbeiten] Herstellung

Auf einem Halbleiterwafer wird eine dünne ferroelektrische Schicht aufgebracht, die den Gate-Isolator der sonst üblichen FET-Speicherzelle ersetzt. Die Schicht besteht aus z. B. Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) oder chemisch Pb(Zr_xTi_1-x)O₃ oder SBT (SrBi₂Ta₂O₉). Der Speicher- und Löschvorgang wird durch eine Spannungsänderung und somit eine Feld- und Polarisationsänderung in der ferroelektrischen Schicht realisiert.

[Bearbeiten] Schaltungsvarianten

Es gibt verschiedene Schaltungsvarianten für ferroelektrische Speicher. Die gebräuchlichsten sind die sogenannten 1T1C- bzw. 2T2C-Zellen mit jeweils einem bzw. zwei Transistoren und Kondensatoren mit ferroelektrischem Dielektrikum. Der Transistor wird in jedem Fall zur Auswahl der zu beschreibenden Speicherzelle benötigt, da Ferroelektrika keine scharfe Umschaltspannung besitzen, sondern die Umschaltwahrscheinlichkeit mit der Stärke der Spannung und der Dauer des Spannungspulses steigt. Beschrieben werden Zellen, indem nach Auswahl der gewünschten Speicherzelle über die Word- und Bitlines die Polarisation des Ferroelektrikums durch einen Spannungspuls gesetzt wird.

Gelesen werden die Speicherzellen ebenfalls über Spannungspulse, wobei die Speicherzelle mit einem definierten Zustand beschrieben wird. Je nachdem, ob sich dabei die Polarisationsrichtung umkehrt oder gleich bleibt, ergibt sich ein unterschiedlicher Verschiebungsstrom, der von einem Leseverstärker (Sense-Amplifier) in ein entsprechendes Spannungssignal auf der Bitline umgesetzt wird. Da dieser Lesevorgang die bestehende Polarisation zerstört, muss die Zelle danach wieder mit dem ursprünglichen Speicherinhalt beschrieben werden.

Weiterhin gibt es noch 1T-Zellen, die nur aus einem ferroelektrischen Feldeffekttransistor (FeFET) bestehen. Bei einem FeFET ist die Gate-Isolation durch ein ferroelektrisches Dielektrikum ersetzt (analog zum Floating Gate beim Compact-Flash-FET). Durch die Polarisation dieses Dielektrikums wird die Strom-Spannungs-Charakteristik des Source-Drain-Übergangs beeinflusst: Je nach Polarisationsrichtung sperrt der Transistor oder schaltet auf Durchgang. Beschrieben wird der FeFET durch Anlegen einer entsprechenden Spannung zwischen Gate und Source. Ausgelesen wird der FeFET durch Messung des Stroms bei Anlegen einer Spannung zwischen Source und Drain. Der Auslesevorgang ist nicht destruktiv.

[Bearbeiten] Eigenschaften

nichtflüchtig (im Gegensatz zu DRAMs)
kompatibel zu den gängigen EEPROMs
Daten bleiben über 10 Jahre erhalten, auch bei starken Temperaturschwankungen
Schreibzeit ca. 100 ns (entspricht Standard-SRAM)
10¹⁰ Schreib- und Lesezyklen garantiert

[Bearbeiten] Lebensdauer und Ausfallursachen

Auch FRAMs werden nach einer gewissen Zeit der Benutzung unbrauchbar. Hohe Temperaturen beschleunigen dabei den Verfall. Es gibt zwei mögliche Ursachen für Fehler: Depolarisierung und Imprint. Bei der Depolarisierung senkt sich mit der Zeit das Polarisierungslevel der Zelle. Dadurch wird nach einer gewissen Zeit der aktuelle Zustand nicht mehr korrekt erkannt. Dieser Effekt verstärkt sich bei hohen Temperaturen. Imprint bedeutet, dass die Zelle in einem Polarisierungszustand gefangen bleibt, der Schreibimpuls genügt nicht mehr, um eine Polarisationsumkehr zu bewirken.