Industry Information

FeRAM的進展和市場策略

2002/07/22 一下子，FeRAM好像又變成記憶體業界的寵兒。原先在MRAM展望的討論之中，提及FeRAM只是當成襯托，聊備一格罷了。甚至在99年的文獻之中，說是FeRAM商業化最早約莫在2010~2015年之間。屆時，目前各公司投入研發所取得的專利已大多過期，想藉專利授權回收研發投資的想法恐怕終要落空。但是最近FeRAM在短期商業化的呼聲似乎又捲土重來，說是FeRAM已經是成熟的技術，商業化生產與成本降低將形成良性循環。

FeRAM（Ferroelectric Random Access Memory, 鐵電性隨機存取記憶體）是利用perovskite 晶體一類的材質，諸如PZT（PbZr1-xTixO3）、SBT（SrBi2Ta2O3）的鐵電特性當成工作曲線，用以製作的非揮發性記憶體。

鐵電物質的電滯曲線（hystersis）看起來像是鐵磁性物質的磁滯曲線。磁滯曲線是鐵磁性物質在加外磁場下，其磁化的反應。當外加磁場很大時，磁鐵物質中的電子自旋磁矩全部與外磁場方向平行，達到飽和磁化。但是當外加磁場逐漸消退至零，鐵磁物質之磁化並不會完全降為零，而會到一殘留磁化值。磁滯曲線最有趣的現象是將外加磁場由負逐漸加到正與由正降到負，在以外加磁場為橫軸、鐵磁物質之磁化為縱軸的圖形上並不遵循相同之路徑；事實上他們是兩條曲線包圍一封閉面積的圖形。因為這兩種過程在外加磁場/磁化的圖形上走兩條不同的曲線，使得用這二曲線代表０與１的紀錄資訊方式成為可能。鐵電物質的現象與鐵磁物質的現象極為相似：將外加磁場換成外加電場，物質的磁化換成極化（polarization），就會得到類比的電滯現象。

用鐵電物質來製作非揮發性記憶體的方法有二。一是做成FeFET（鐵電性場效電晶體），是將鐵電物質置於電晶體之多層閘極結構之中，如MFMIFET（Metal-Ferroelecric-Metal-Insulator Field Effect Transistor），因為鐵電物質在不同的極化值時，如在飽和極化或殘留極化，對在底下閘極通過之電流會有不同影響，因此可以由底下通過之電流來判讀儲存於鐵電物質之資訊。這個方式做成的非揮發性記憶體有點像Flash。而其讀取資料的方式是非破壞性。

另一種結構基本上是用鐵電物質來製作電容，整個非揮發性記憶體像是一個堆疊式電容的DRAM。由於鐵電物質的電滯曲線中有兩條不同的曲線，可以用以代表“Ｏ”與“１”兩個態。傳統DRAM製程的電容中的電荷在關掉電源之後會流失，但是鐵電物質的極化，即使在電源關閉、外加電場消失之後，仍然會保持殘留極化，故記憶體的資訊得以保存。目前大部分的公司採取此一結構。

FeRAM除了非揮發性之外，還有兩個主要的好處。一個是寫入資料讀速度極快，且已經在100ns之下，與DRAM的速度相當，遠較Flash為快。另外，其工作電壓、工作電流、等候電流均極低，是低耗電的記憶元件。

到去年為止，FeRAM的記憶容量在64Kb～256Kb之譜。有大量訂購的價格每顆約數美元。製程以0.35μm為主。以每位元單價來看，價格大概是DRAM的一千倍，而從密度來看，也是DRAM的千分之一左右。今年如果將製程推到0.25μm，記憶體容量大蓋可以站上1～4M左右。更高記憶體容量的產品宣稱已在研發階段，但是上市的時間仍為之過早。

初期FeRAM的市場在IC卡。在1M容量以下，針對EEPROM應用的市場，以取代性產品的方式滲入市場似乎是理所當然，但是至目前為止此策略並不十分成功。至2001年，全年全球總市值仍只是數百萬美元之譜。

下一個FeRAM有機會切入市場的記憶體容量的窗口在16Mb～32Mb，目標市場在手機，記憶體容量需求較大，傳統上以SRAM為主記憶的方式在記憶體容量已不能滿足，所以目前的方式是以pseudo-SRAM（基本上是DRAM）來替代SRAM以提高記憶體容量。Pseudo-SRAM的使用方式有二，一是與像baseband、DSP等晶片構裝成多晶片模組，一是先與Flash組成所謂Combo的離散多晶片記憶體模組。FeRAM較DRAM省電，而寫入的速度又較Flash為快。以FeRAM同時取代pseudo-SRAM及Flash，在功能上似乎是無可爭議的選擇。但是這個窗口開放的時間有限，原因是pseudo-SRAM的密度要求成長比想像中的快，而伴隨的Flash其每位元價格每年下降的步伐已與DRAM相若，二者每年價降幅度都在30%以上，因此在應用上位元成長的速度會很快。目前FeRAM的密度還不夠高 － 與FeRAM相差上千倍。要在短時間內追上，除非將製程快速推到至少與Flash相若的程度，否則在價格上很難競爭，說來說去還是成本問題。因此目前在手機市場開放的窗口很短暫，如果在手機用記憶體統一規格制定之前沒有在市場上露臉，將來要再導入市場就得另外費一番手腳，因為屆時必須要改變整個業界已經塵埃底定的規格架構。

從製造和技術方面，還有另外的策略可以導致用量增加、成本降低的良性循環。鐵電性物質也是高介電性物質（否則電滯曲線就會很難使用），而高介電物質也是DRAM廠商一直追尋的材料。為了要確保DRAM中記憶體的資訊清晰可靠，DRAM中的電容值是要保持在一定的數值約30fF以上。但是兩個因素不斷挑戰這個要求：一個是持續的線幅微縮，一是降低工作電壓的需求。線幅微縮是縮小DRAM細胞的尺吋使得同一面積的晶片能夠容納更多的位元，但線幅的微縮也同時導致電容器面積以平方的速度變小，所以電容值也隨之變小。工作電壓變小是要省電，但是電容上的電荷與電壓成正比，工作電壓降低，也會使儲存的電荷降低，實質上也是使電容值縮小。因此DRAM在製程及規格不斷推進時，必須用高介電值物質以彌補因線幅微縮及工作電壓下降所導致的電容值損失。如果DRAM的廠商採取以鐵電物質當成電容器中之高介電物質，則鐵電物質的研發以及在整合製程中可能面臨的問題如界面接合、擴散等問題都可以獲得較多的研發資源，研發及製造成本可以用較大基底來分攤。這個策略有一點像MRAM的導入，MRAM中主要材質GMR物質也是先在磁頭的讀寫應用中先站穩腳步，而後走向記憶體應用。

另一個可以考慮的是八吋廠的殘值利用。由於八吋廠的製程壽命最高在90～110nm製程世代，一些老舊的八吋廠可能在0.18μm/0.15μm即可能面臨自高密度DRAM生產製造除役的問題。此時的FeRAM如果導入差不多已充分折舊的八吋廠，以0.25μm/0.20μm的製程來生產，有助於大幅降低成本。惟目前FeRAM之產量仍十分低，此策略只能在良性循環已經發動一段時間之後才有可能有實質助益。

FeRAM在許多性能方面的理論值比較不若MRAM出色，在積體電路的宏觀考量也只是CMOS技術的一支，未若GMR有成為替代性製造技術的潛力，因此它的定位是中期的產品技術。但是由於其技術已日趨成熟，目前幾乎所有的DRAM廠商，包括那些已完全自DRAM通用產品市場撤退的公司，都在此一領域有些作為。在高密度的通用型DRAM市場，其威脅不是立即而明顯；但是在中低密度記憶體的應用，卻有可能乘記憶體市場重組的機會而興起。DRAM產業雖然講求專注，但是對於FeRAM，其研發與DRAM有綜效，其產品也具有顛覆性，DRAM的廠商，著實應該在專注及風險分散中尋求均衡。

作者 : 林育中 茂德科技 營業處 處長/ 公司發言人

posted by C.H. Chen @ 12:47 AM