保證 125℃・10 年資料保留的高可靠性 FeRAM：「RAMXEED ULTIMATE」背後的技術
目前市場對於能夠在高溫環境下長期保留資料，同時支援高頻率寫入的記憶體需求日益增加。RAMXEED 的強誘電體記憶體（FeRAM）持續進化，正是為了回應這項挑戰。
即使在高溫環境下，也能可靠保留資料的記憶體
FeRAM 屬於非揮發性記憶體，即使切斷電源也能保留資料。此外，FeRAM 同時具備高速寫入、低功耗以及極高的抹寫壽命，因此能夠同時實現「頻繁寫入」與「可靠保存」，這正是其最大的優勢之一。
FeRAM 事業自 1999 年富士通率先在全球成功實現量產以來，持續由負責開發、製造與銷售的技術人員及事業團隊承接並發展至今。目前的 RAMXEED 延續這項技術傳承，以超過 25 年累積的技術與經驗為基礎，持續提供 FeRAM 產品。累計出貨量已超過 44 億顆，採用國家超過 60 個，作為支撐社會基礎設施的高可靠性記憶體，廣泛應用於世界各地。
過去 FeRAM 的主要應用包括電表、水表及辦公室設備等，這些應用通常要求記憶體能在一般自然環境的溫度範圍（-40℃～85℃）內運作。然而，近年來工廠設備及車載設備等領域對於在更加嚴苛環境下使用的需求正在快速增加。尤其是在引擎周邊及設備內部等高溫環境中，能夠長期保留資料已逐漸成為重要的必要條件。為了滿足這類需求，RAMXEED 開發了能夠在 125℃ 環境下實現長期資料保留的 FeRAM。
支撐資料保留性能的兩項技術
這款支援高溫環境的 FeRAM，是從材料技術與電路設計技術兩個面向進行開發。
首先，是作為 FeRAM 核心的強誘電體電容器之改良[1]。FeRAM 將「0」與「1」的資訊以極化狀態的形式保存（圖1）。強誘電體電容器的結構，是由強誘電體材料夾在上下電極之間所形成（圖2），透過對電極施加電壓，使強誘電體產生極化，進而儲存資訊。此次開發中，透過最佳化強誘電體材料的成膜條件，在提升材料品質的同時，也改良了電極與強誘電體之間的介面結構。尤其透過最佳化導入介面的薄膜層，抑制元素之間的相互擴散，進而實現能夠長期穩定維持極化狀態的結構。
圖1 強誘電體中寫入（a）「0」與（b）「1」後的極化狀態
圖2 強誘電體電容器的剖面結構
另一項重要技術，是建立強誘電體 SPICE 模型。RAMXEED 根據實際量測資料，開發出能夠高精度重現強誘電體極化行為的獨家模型。此模型不僅考慮極化特性，也將資料變異納入考量，並在電路設計階段確認即使經過 125℃、10 年後，仍能確保充足的運作裕度。
也就是說，透過將材料與設計進行一體化最佳化，實現了長期可靠性。
經實證的高溫可靠性
RAMXEED 對所開發的 FeRAM 進行了從 -45℃ 至 125℃ 的廣泛溫度範圍評估。（※）
在寫入「0」與「1」後，以低於實際使用電壓 1.8V 的 1.65V 進行讀取，在如此嚴苛的條件下進行評估，結果確認在整個溫度範圍內皆具備充足的讀取裕度（圖3）。過去的產品呈現出讀取裕度會隨溫度變化而下降的趨勢，而改良後的產品則展現出較不受溫度影響、更加穩定的讀取特性。
※ 就產品的溫度規格而言，保證運作溫度範圍為 -40℃～125℃。
圖3 不同溫度下量測的初始狀態「0」與「1」資料分布
圖4. 經 150℃、1000 小時加熱後，（a）相同資訊讀取（SS）與（b）反轉資訊讀取時的「0」與「1」資料分布
此外，也針對 FeRAM 特有的課題之一——印記效應（Imprint）進行了評估。印記效應是指，在長時間維持相同極化狀態後，當資料重新寫入為相反狀態時，會變得難以正常讀取的現象。在 150℃、1000 小時的高溫保持試驗（約相當於 10 年）中，分別評估了寫入並讀取與原先所保持的「0」或「1」相同狀態的「相同資訊（SS：Same State）」讀取，以及將資訊反轉為「1」或「0」後再進行讀取的「反轉資訊（OS：Opposite State）」讀取特性。結果確認，改良後的產品即使在 OS 讀取時，也能維持充足的讀取裕度（圖4）。
「125℃・10 年保證」所帶來的價值
在非揮發性記憶體領域，「支援 125℃」或「保留 10 年」等表述相當常見，但其中許多數值是根據假設實際使用環境的任務剖面（Mission Profile）所計算出的數值。換言之，這些數值往往是在假設記憶體並非持續暴露於 125℃ 環境下的前提之下所推導而來。
相較之下，RAMXEED 的 FeRAM 是以「持續暴露於 125℃ 環境下」為前提，並將 10 年資料保留能力作為產品規格加以保證。這是一項不依賴特定前提條件，而是以接近實際使用環境的條件進行評估後所得到的保證值。因此，不僅適用於車載應用，也能在工業設備與基礎設施等領域，作為系統設計的可靠規格，讓客戶安心使用。
適用於高溫・高頻率應用的解決方案
RAMXEED 已將這款 FeRAM 商品化為「RAMXEED ULTIMATE」[2]。這些產品可作為兼具高溫環境下長期資料保留能力與高頻率寫入能力的記憶體，預期能廣泛應用於各種領域。
總結
RAMXEED 的 FeRAM 是一款由超過 25 年量產實績所支撐的高可靠性記憶體。
此次開發的「RAMXEED ULTIMATE」，除了延續 FeRAM 原有的優勢之外，更達到了即使在 125℃、10 年這項嚴苛條件下，也能保證資料保留能力的水準。這項性能是透過結合強誘電體電容器的材料開發技術，以及以實際量測資料為基礎的 SPICE 模型技術所實現。
RAMXEED 未來也將持續透過高可靠性的非揮發性記憶體，支援各領域的系統設計。
參考文獻
- W. Wang et al., IEEE Trans. Electron Device, 72(2) pp. 629-634, 2025,
https://doi.org/10.1109/ted.2024.3514579. - RAMXEED ULTIMATE 介紹頁面
https://www.ramxeed.com/zh-tw/products/ramxeed-ultimate/
—
作者
惠下 隆
RAMXEED株式會社
工學博士・資深專家
