FeRAM 原理全解析：從基本結構到非揮発性記憶體的優勢比較

FeRAM 是一種非揮發性記憶體，同時具備揮發性記憶體的優點。除了在電源關閉後資料仍可保存的非揮發特性外，還擁有高寫入耐久性與高速寫入能力。以下將說明 FeRAM 的特性、原理以及基本動作機制。

FeRAM 的特性

FeRAM（Ferroelectric Random Access Memory）是一種非揮發性記憶體，同時融合了揮發性記憶體的性能優勢。作為非揮發性記憶體，其特點包括即使電源關閉資料仍可保存（非揮發性）以及低功耗運作；同時也具備揮發性記憶體所具有的高寫入耐久性（可承受大量寫入次數）與高速寫入能力，因此可歸納為具備上述四大特性的記憶體。表 1 顯示 FeRAM 與其他記憶體產品的特性比較。FeRAM 採用鐵電材料作為記憶元件，透過製程技術的持續開發，已實現超過 100 兆次的寫入耐久性以及可對應 125°C 高溫環境的性能。

表 1．記憶體特性比較

FeRAM 的原理

FeRAM 採用強誘電體材料 PZT（鉛鋯鈦酸鹽，Lead Zirconate Titanate）作為記憶元件。其 PZT 的晶體結構如圖 1 所示。PZT 晶體的特性在於，當施加電壓時會產生極化現象（Zr/Ti 原子在晶體內部上下位移），即使停止施加電壓後極化狀態仍會殘留。因此，依據電場方向的不同，原子會形成兩個穩定狀態，並將其作為非揮發性記憶體中的「0」與「1」資料儲存原理。

圖 1．PZT（鉛鋯鈦酸鹽）的晶體結構

PZT 晶體的極化量與電壓關係特性如圖 2 所示。其極化量呈現遲滯（Hysteresis）特性，在電壓為 0V 時存在兩個穩定點，並分別對應為「0」與「1」資料。由於 Zr/Ti 原子在晶體內部上下移動時產生的物理損傷極小，因此形成具備極高寫入耐久性的記憶元件。此外，在進行寫入時，不受先前穩定狀態（「0」或「1」資料）影響，僅需改變電場方向即可轉換至下一個穩定狀態（「0」或「1」資料），因此在特性比較表中以「可重複覆寫（Overwrite）」來表達此特性。

圖 2．PZT 晶體極化量與電壓特性（遲滯特性）

FeRAM 的記憶體單元結構

FeRAM 的記憶體單元結構主要分為兩種類型：一種是每個單元由 2 個電晶體與 2 個強誘電體電容構成的 2T2C 型（圖 3），另一種是每個單元由 1 個電晶體與 1 個強誘電體電容構成的 1T1C 型（圖 4）。強誘電體電容是指以強誘電體材料夾在導電體（上電極與下電極）之間形成的電容結構，各導電體分別連接至位元線（BL）與板極線（PL）（圖 5）。

圖 3．2T2C 型記憶體單元結構　　圖 4．1T1C 型記憶體單元結構　　圖 5．強誘電體電容結構

2T2C 型是將實際單元與參考單元相鄰配置，並使參考單元保持與實際單元相反的資料狀態進行電路運作。透過比較實際單元輸出的位元線電壓（BL）與參考單元輸出的位元線電壓（BLb）來判斷資料內容，當 BL > BLb 時判定為「1」資料，當 BL < BLb 時判定為「0」資料。由於兩個強誘電體電容以互補方式運作，使資料保持更為穩定，因此常應用於車用電子等高可靠性需求產品。

1T1C 型則是將實際單元輸出的位元線電壓（BL）與由獨立電路產生的參考電壓進行比較，當 參考電壓 > BL 時判定為「1」資料，當 參考電壓 < BL 時判定為「0」資料。由於單一記憶體單元面積僅為 2T2C 型的一半，因此特別適合應用於大容量 FeRAM 產品設計。

FeRAM 的基本動作

記憶體單元的讀取（Read）動作如圖 6 所示。當將連接至強誘電體電容位元線（BL）的電極設為 Low，並將連接至板極線（PL）的電極電壓由 Low 提升至 High（BL＝L，PL＝L→H） 時，即可進行讀取動作。在 PL＝L→H 的過程中，原本儲存在強誘電體中的電荷會被釋放，而依據穩定狀態（「0」「1」資料）不同，所輸出的電荷量 Q 亦有所差異。透過偵測此電荷量差異來判斷「0」「1」資料，於電路層級上則表現為位元線上的電位差，並經由感測放大器（Sense Amplifier）放大後輸出為資料訊號。

圖 6．記憶體單元讀取動作（遲滯特性轉換）

記憶體單元的寫入（Write）動作如圖 7、圖 8 所示。當寫入「0」資料時，將連接至強誘電體電容位元線（BL）的電極設為 Low，並將連接至板極線（PL）的電極施加 High 電壓（BL＝L，PL＝H） 以完成寫入動作，之後再將板極線（PL）拉回 Low，使其進入待機狀態並以「0」資料保持。另一方面，當寫入「1」資料時，將連接至位元線（BL）的電極設為 High，並將連接至板極線（PL）的電極設為 Low（BL＝H，PL＝L） 以完成寫入動作，之後再將位元線（BL）拉回 Low，使其進入待機狀態並以「1」資料保持。

圖 7．記憶體單元寫入動作（遲滯特性轉換）：「0」資料情況

圖 8．記憶體單元寫入動作（遲滯特性轉換）：「1」資料情況