半导体存储厂商那些事

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铁电存储器,简称FRAM,英文全称Ferroelectric Random Access Memory。

 

这是一种不为大众熟知的存储器。其采用铁电材料的非易失性存储器,兼容RAM 功能,且与ROM一样具有非易失性,在没有电源的情况下仍可保持数据。其具有高速写入(~10万倍Flash,~700倍EEPROM)、高耐久性(~100万倍Flash,~100万倍EEPROM)和低功耗(~1%Flash,~1%EEPROM)的特性。铁电存储器还有一个特性,即抗辐射,在电磁波或辐射的情况下,数据仍是安全的,因此在空间科学、医学等特定领域也有着重要应用。

 

RAM :random access memory,随机存取存储器。

ROM:read-only memory,只读存储器。

Flash,闪存,在没有电流供应的条件下也能够长久地保持数据。

EEPROM:electrically erasable programmable read-only memory,电可擦除可编程只读存储器。

 

铁电存储器已经商业化量产,并且有适合多种应用的不同产品供消费者选择,已经应用在上至卫星装置、下到工业消费类设备,常见的有智能仪表(水、电、气)、射频识别RFID(电子标签)、可编程控制器(PLC)、静脉纹识别、车载电子、近距离无线通讯技术(NFC)等。

 

铁电存储器是1952年美国MIT(麻省理工学院)Dudley Allen Buck在硕士论文中首次提出的。1991年,NASA(美国国家航空航天局)将此概念转化成实际技术。1993年,美国RAMTRON公司成功开发出第一个铁电存储器产品,之后各大半导体公司如ROHM(罗姆)、 FUJITSU(富士通)、TEXAS INSTRUMENTS(德州仪器)、IBM、TOSHIBA(东芝)、infineon(英飞凌)、Matsushita(现松下Panasonic)、SK Hynix(海力士)、NEC(日电)、Symetrix(思美) 、SAMSUNG(三星)等也加入开发或应用此项技术。

 

相比并不为人熟知的铁电存储器,这些厂商的名字总有那么几个是常见而熟悉的。下面我们就谈谈这些厂商们关于铁电存储器的那些事。

 

1、RAMTRON

 

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美国RAMTRON 公司,1984年成立。是一家无晶圆厂半导体公司,产品由世界各顶尖半导体制造商合作代工,一直以来致力于铁电存储器产品的设计、开发以及销售,同时提供应用广泛的半导体集成解决方案。

 

1993年,RAMTRON成功开发出第一个铁电存储器产品。之后,销售铁电存储器产品和授权FRAM技术给顶级半导体公司,并与各大半导体制造商保持着授权和制造伙伴关系。RAMTRON的商业FRAM产品全部由美国和日本的半导体制造厂代工。同时,RAMTRON出售高性能FRAM产品给全球的电子 OEM厂商。

 

RAMTRON授权的第一个公司是日本ROHM(罗姆)电子,后者在1998年开始生产,前者同时停止了所有工业制造的设备,开始作为一家无晶圆半导体公司运作,并和各种合作伙伴共同发展,继续进行业界前沿的FRAM研究和开发活动。

 

2006年,RAMTRON发布全球第一款嵌入FRAM存储器的微控制器8051MCU - VRS51L3074,以实现高速及高可靠性的非易失性数据存储和处理系统。

 

2007年,RAMTRON推出业界首款4M非易失性FRAM产品FM22L16。推出FRAM存储器 FM25C160,符合Grade 1和AEC-Q100规范要求,采用电压5V 、容量16K 的串行SPI接口 ,可工作于整个汽车温度范围(-40到 +125度),达到汽车核心系统应用级别。

 

同年,RAMTRON宣布,韩国的Daesung-Eltec公司将FRAM应用于DSP(Digital Signal Processor,数字信号处理器)为基础的汽车音响平台,并供给雷诺三星汽车(Renault SAMSUNG Motors)。 该铁电存储器为FM24C64,带有双线(2-wire)串行接口、容量64k,实现音乐频道、歌曲、歌手储存和恢复播放等功能。该产品应用FRAM,保证数据的完整性,节省了电路板空间。

 

2010年,RAMTRON在硅谷嵌入式系统大会上,展示了其MaxArias系列的创新无线存储器技术,将行业标准Gen2 RFID无线存取功能与其非易失性FRAM技术的低功耗、高速度和高耐久性特性相结合,让工程师使用高性能RF转发器集成电路来发送、捕获和存储更多信息,从而扩大其系统的通信范围和存储器容量。 非常适合高价值资产追踪、药物追踪、制造和维护记录收集以及智能电表抄表等应用。

 

2012年9月19日, RAMTRON接受了CYPRESS的并购请求。目前,公司网址全部跳转到后者网站。

 

 

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美国CYPRESS(赛普拉斯)公司,1982年成立。是当今为嵌入式系统提供核心的高性能、高品质解决方案的行业领导者。 拥有业界唯一的PSoC可编程片上系统解决方案。产品覆盖WiFi、低功耗蓝牙、可编程片上系统、通用串行总线(USB)、存储器(NOR/NAND闪存、FRAM和SRAM)、触摸感应等,广泛应用于物联网(IoT)、航空航天、汽车、家用电器、医疗、消费类电子产品、通信与电信等领域。

 

2012年,CYPRESS并购了RAMTRON,保留RAMTRON的器件型号,便于支持现有的FRAM客户。这些器件型号涵盖了市场上的FRAM器件容量。FRAM为CYPRESS的全球速度最快的非易失性静态随机存取存储器提供了有效补充,能够充分满足大量不同应用场合对于断电时保存数据的需求,为客户提供了市场上最丰富的非易失性存储器容量、速度和功耗解决方案选择。

 

2、ROHM

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日本ROHM(罗姆)公司,1958年成立。全球著名半导体厂商之一,涵盖功率元器件、电源方案、电源管理IC、汽车电子、光学器件、监控系统等。

 

罗姆( ROHM)电子是RAMTRON第一个授权FRAM技术的公司,并在1998年开始生产。

 

2008,收购日本OKI半导体。

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2011年, OKI更名为LAPIS(蓝碧石)。LAPIS擅长低功耗技术、数字模拟混载技术,高频电路技术、存储器设计技术、耐高压工序技术,超小型封装技术等,提供逻辑IC、存储器IC、显示屏驱动IC、晶圆代工服务。FRAM业务目前归属于该品牌,结合了LAPIS优异的存储器设计技术和ROHM稳定成熟的制造技术。

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2016,开发出搭载串行总线容量64K的 FRAM:MR44V064B / MR45V064B,实现了业界顶级的1.8V最低工作电压。2节镍氢充电电池也可使用FRAM,可实现约11年的擦写寿命(每秒擦写64K时),这可实现更长时间的驱动,还可扩大应用到便携设备和IoT领域。另外,支持的最大工作频率高达40MHz(SPI总线),仅1.64ms即可完成64K的数据擦写,因此,即使系统发生异常也可进行超高速备份,保证了数据的高可靠性。该产品具备两种不同的串行总线(I2C总线、SPI总线),可灵活应对客户的系统规格。

 

目前ROHM的FRAM主要为Parallel BUS、I2C BUS、SPI BUS三个系列。

 

3、FUJITSU

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日本FUJITSU(富士通),1935年成立。是世界领先的信息通信技术企业,提供从开发、制造、销售到保养维护的产品及电子元器件、解决方案和服务。产品覆盖专用集成电路/晶圆代工服务、模拟产品、存储器产品、微控制器、销售管理系统等软件、个人电脑与工作站、服务器、空调、显示器和GPS等。

 

FUJITSU具有完整的FRAM生产程序、芯片开发和量产及组装程序。除了独立的FRAM产品,富士通半导体还可提供FRAM RFID解决方案,包括HF(高频)和UHF(超高频)两种系列,特别适合满足高可靠性电子标签应用如医用标签的需求。

 

1996年,FUJITSU和RAMTRON开始合作研究FRAM技术。

1999年,富士通FRAM产品开始供应。1M的FRAM以及带有64Kb FRAM的微控制器等产品,用的是500nm的工艺。

2001,美国的RAMTRON和日本富士通公司共同宣布,他们已经完成了350nm、3V的多层金属FRAM制造工艺的开发。

2002,富士通已经累计交付了1亿单元的独立FRAM。业界据此认为FRAM量产问题已经得到解决。

 

2005,富士通公司和精工爱普生(SEIKO EPSON)公司签署协议,联合开发下一代180nm制程的FRAM技术。根据协议,双方研制高集成度FRAM,其组件面积将只有目前市场上销售的常规FRAM的1/6,预计2006年上半年完成研发。富士通和爱普生计划将彼此的重要技术(如FRAM材料和微型化制程)结合起来,从而缩短开发周期。

 

日本SEIKO EPSON(精工爱普生),1942年成立,提供影像产品从输入设备、创意软件到影像输出等完整解决方案,包括打印机、相片复合机、商用传真复合机、扫瞄器、投影仪、LCD元件、手表、半导体电子零组件和机械手臂等工业自动化产品。

 

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2007年以前,RAMTRON的FRAM产品由富士通独家为其代工生产。2007后,富士通继续为RAMTRON生产1M和容量更低的FRAM,但已不是独家代工。

 

2008,开发了全球第一个用于航空应用、容量64 K的FRAM RFID(电子标签)。

 

自1999年到2009年,富士通半导体一直在为RAMTRON做单体存储器的量产晶圆代工,同时也为日本国内一些客户开发了一些256k、1M和2M的FRAM产品,业务重点放在为一些顶级复印机厂商定制集成了FRAM的LSI上,用以防止假冒墨盒的泛滥,但这些产品没有在全球推广。

 

2010年,FUJITSU和RAMTRON的合作因战略变化而终止。

2010年后,富士通应用独自开发的先进工艺技术继续开发、生产,并在全球全面推广销售FRAM单体存储器直至现在。

 

2013,FUJITSU推出两款新型FRAM产品MB85RS1MT 和 MB85RS2MT,两款产品分别带有1 M和 2 M的存储器,是富士通提供的当时最大容量的串口FRAM。该系列产品读写次数提高到10万亿次,是富士通当时FRAM产品的10倍,为实时连续数据记录提供了更好的支持。MB85RS1MT器件采用晶圆级芯片尺寸封装(WL-CSP),使得其体积仅为3.09 × 2.28 × 0.33 mm,一举成为业内拥有SPI接口的、尺寸最小的1 M容量的 FRAM器件。该器件为智能可穿戴设备提供了理想的内存器件的选择。这不仅让终端应用产品的整体体积变小,且让整个系统在写入数据时将功耗降至最低,延长了系统工作时间。

 

2014年底,富士通发布MB85RDP16LX是一款超低功耗FRAM元件,整合了二进位功能,更节能;该公司新产品锁定的目标市场是工业自动化应用,包括旋转编码器、马达控制器以及传感器。为符合工业自动化市场需求,该元件支援-40至105 摄氏度运作,保证10年无存储数据流失风险。

 

2016年,推出具业界最低运行功耗的64 K FRAM—MB85RC64T样品。该产品采用I2C接口,能以1.8V至3.6V的电源电压及最高3.4 MHz频率运行。其主要特性是运行时的极低平均电流(3.4 MHz时为170 uA;1 MHz时为80 uA)。与现有的富士通产品相比,其运行功耗降低近80%,为64 K FRAM实现业界最低的运行功耗144uw。

 

中国已经是是富士通FRAM最大的市场。当然,富士通在中国FRAM用户教育、宣传上,也可谓是下足了力气。

 

4、TEXAS INSTRUMENTS

 

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美国德州仪器(TEXAS INSTRUMENTS,简称TI),成立于1930年。TI 是一家全球性数字信号处理与模拟技术半导体设计与制造公司,超过 10 万种模拟集成电路、嵌入式处理器以及软件和工具。

 

2001年 ,TI和RAMTRON签订了 FRAM 的授权许可和开发协议。主要采用350nm工艺。

2002年,采用标准130nm制程进行嵌入FRAM验证试制。

2005年, TI制造出8M FRAM样片,RAMTRON宣布正在评估。

 

2007, TI与RAMTRON的合作关系扩大。作为双方协议的一部分,德州仪器将利用自己的130nm制程为RAMTRON代工生产4M FRAM产品。受益于130nm 制程以及其中的创新的 COP (capacitor-over-plug) 工艺,实现了当时最小的商用 FRAM 单元 ,仅 0.71um2。

 

之后,TI推出MSP430系列产品——低功耗微控制器(MCU),将智能模拟与低系统能量结合,适合任何功率预算。全世界唯一的嵌入式 FRAM MCU 系列,应用范围广,例如智能电网、可穿戴设备、传感器和能量收集。这也是TI的FRAM业务的重点。以下是该系列的重要里程碑产品事件。

 

2011年,TI宣布推出业界首款超低功耗FRAM的16位微控制器(MCU),宣告可靠数据录入和射频 (RF) 通信能力进入了一个新时代。新型MSP430FR57xx FRAM系列的面市,进一步彰显了 TI 在嵌入式处理技术领域的领先地位,与基于闪存和EEPROM的微控制器相比,该FRAM系列可确保100倍以上的数据写入速度和250倍的功耗降幅。此外,这种片上FRAM还可在所有的电源模式中提供数据保存功能、支持超过100万亿次的写入次数、并为开发人员提供了一个全新的灵活度(允许其通过软件变更来完成数据内存与程序内存的分区)。FR57xx系列突破了现有的存储器功耗及可写入次数限制,使得开发人员能够凭借功能更多、连续工作时间更长的新产品所拥有的更高性价比的数据录入、远程感测和无线升级能力让世界变得更加智能。

 

2012年,MSP430FR57xx系列量产。

2014年,MSP430FR59xx and MSP430FR58xx系列量产,为MSP430系列增加了34种型号。

 

2015,TI宣布推出其采用了CapTIvate 技术的MSP430 FRAM微控制器 。作为目前业界功耗最低的电容式触摸MCU,采用CapTIvate技术的全新 MSP430FR2633 MCU 可为电子访问控制、家电、个人电子以及工业控制面板等处于嘈杂环境下的各类应用提供全面的硬件和软件特性,以确保其发挥最为可靠的性能表现。

 

同年,TI推出具有革命性的Compute Through Power Loss (CTPL)技术,在包括全新MSP430FR6972 MCU的整个MSP430TM FRAM微控制器 产品系列中实现数据存储与恢复。这项技术能够在应用程序意外断电后通过智能系统状态恢复实现瞬时唤醒。此外,具有TI CTPL技术的全新MSP430FR6972 MCU包含了集成的智能模拟和数字外设,用于减少系统成本、功耗和尺寸。

 

2016年,TI推出两款针对广泛感测和测量应用的全新低功耗MCU,以扩展其超低功耗MSP430 FRAM MCU产品组合。全新的系列包括:

MSP430FR5994 MCU。该产品拥有256K FRAM,同时其性能是其它低功耗MCU的40倍,能够通过全新且易于使用的集成型低能耗加速器(LEA)为开发人员提供数字信号处理(DSP)能力。

MSP430FR2111 MCU。该产品可利用扩展的TI MCU Value Line产品组合升级原有的8位设计,同时也是首次在小型3mmx3mm QFN封装中包含FRAM统一存储器。全新的MCU将产品组合中所采用的集成式FRAM从2K扩展到了256K。

 

统一存储器,就是可以把现在传统的单片机里面不同类型的存储器,包括Flash、EPROM和RAM做到统一。客户以前可能因为要不同大小的存储器,需求不同,所以选择不同类型的单片机,如果用TI的FRAM可能会有机会用一款就可以覆盖到以前需要几款单片机才能够实现的不同项目需求。

 

TI的FRAM优势,也使得TI在单片机领域得到更大程度、更广泛的认可。

 

 

5、IBM

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IBM拥有世界级代工服务和灵活制造平台。

 

2009年,IBM和RAMTRON达成代工协议:IBM在美国Vermont州Burlington的晶圆生产工厂,采用180nm制程,代工FRAM产品。RAMTRON预计在2010年在该工厂生产出第一批的量产晶圆,然而,IBM公司在后来的研发制造过程中遇到问题,无法成功提升这款产品的产量,导致计划延迟。

 

2011年,RAMTRON宣布,已经可广泛提供在IBM公司生产线上制造的首批预验证FRAM样片。其中,FM24C04C和FM24C16C是位密度分别为4k和16k的串行5V FRAM产品。

 

6、TOSHIBA

 

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日本TOSHIBA(东芝)公司与德国infineon公司2001年开始合作开发FRAM。2003年合作开发出存储容量达到32M的FRAM,采用单管单电容(1T1C)的单元结构和200nm工艺制造,存取时间为50ns,循环周期为75ns,工作电压为3.0V或2.5V。

 

2006的,开发了读取及写入时的数据传输速度达200MB/s的64Mbit FeRAM,并在2006年2月6日于美国旧金山开幕的“ISSCC 2006(国际固体电路会议)”上发表。为了实现200MB/s的传输速度,导入了高速数据传输方式的突发模式(Burst Model)。工作时间周期时间为60ns。通过采用130nm工艺CMOS技术生产等措施实现了高集成化。实际上,内存单元面积为0.71911um2,与东芝等在ISSCC 2006上发表的、传输速度为200MB/s的16Mbit MRAM的1.872um2相比,大约只有其38%。为了实现这一高集成化,除采用130nm工艺半导体技术外,还导入了可有效削减内存单元面积的链型构造,以及旨在提高可靠性的新型电路技术等。具体来说,开发了两大类电路技术。

 

2009,采用130nm制程,实现128Mb存储容量内存单元面积0.252um2, 读写速度达到1.6G/s,循环时间 83ns,访问时间为 43-ns,创下世界非易失随机存储器容量和速度两项最高记录。

 

7、infineon

 

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德国infineon公司,为西门子半导体公司1999年更名而来,总部设在德国慕尼黑,2000年独立上市。业务涵盖有线通讯、安全移动解决方案、汽车及工业电子和内存产品,可以提供全面的半导体产品解决方案。

 

 

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2000年,infineon以1000万美元现金和2000万美元的infineon股票换购RAMTRON 约20%的股份。 两者还成交叉许可协议,RAMTRON把其FRAM技术作为一项非独立许可授予infineon,RAMTRON也得到infineon的某些与FRAM制造技术。

 

infineon与TOSHIBA于2001年开始合作开发FRAM。2003年合作开发出存储容量达到32M的FRAM,该FRAM采用单管单电容(1T1C)的单元结构和200nm工艺制造,存取时间为50ns,循环周期为75ns,工作电压为3.0V或2.5V。

 

8、Panasonic

 

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日本Panasonic(松下),1918年成立。业务涵盖家电、电池、电容、存储和半导体等。原来在某些场合采用Matsushita一名。

2003年,Matsushita推出世界上第一款采用180nm制程的FRAM嵌入式系统芯片(SoC,System on Chip)。据悉,这是一款低功耗产品,工作电压仅为1.1V,且得益于厚度小于10nm的SrBi2Ti2O9超微铁电电容,裸片尺寸大幅减小。180nm制程的引入,领先当时业界的350nm制程,提高了存储器容量。

 

9、SK hynix

 

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韩国hynix 公司,由原来的现代(HYUNDAI)内存2001年更名而来。这是一家专业的存储器制造商,半导体产品以DRAM和NAND Flash为主。2012年2月,韩国第三大财阀SK集团宣布收购入主,更名为SK Hynix。

 

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2003年, 推出世界上第一个商用的M级 FRAM。推出的产品有4M和8M密度,采用250nm工艺,工作电压3.0V,数据存取时间为70ns,能进行1000亿次读/写操作。

 

10、NEC

 

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日本NEC(日电)公司,1899年成立,是全球IT、通信网络的领先供应商之一,主要从事IT服务、平台业务、运营商网络、社会基础设施、个人解决方案等产品的研发、生产和销售,包括半导体、显示器以及其他的电子器件。

 

2001年,NEC与美国RAMTRON公司日前签署了关于使用、开发、制造及销售FRAM技术的一揽子使用许可合同。NEC公司正式进军FeRAM业务。该公司将从2002年4月份开始供应使用250nm工艺的FRAM混载32bit IC卡用微控制器工业样品。NEC的主要目的在于用FRAM来替代目前作为面向IC卡存贮器被广泛使用的EEPROM。与EEPROM相比,FRAM具有写入次数为1000万倍、改写时间为1/1万以及改写电压低等优点。

 

NEC独立开发了在强介电体电容器上形成布线的制造工艺技术CMVP(Capacitor on Metal/Via-stacked Plug)。与其它竞争公司所采用的方法相比,CMVP具有适用于3层以上多层布线工序、容易缩小FRAM的存贮单元面积以及容易实现工序微细化等优点。

 

11、Symetrix

 

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美国Symetrix(思美),音频信号处理产品行业的主要供应商,主要针对内置音效、广播和专业音频市场。

2003年初,美国Symetrix向日本Oki授权使用NDRO FeRAM技术(non-destructive readout,非破坏性读取),后者采用250nm工艺生产。据悉,该产品采用和Panasonic一样的铁电材料,基于Symetrix称为Trinion单元的新型技术,提高了写入次数。

 

12、SAMSUNG

 

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韩国SAMSUNG(三星),1996年初步完成64K的FRAM的开发。1998年实现工程化。采用1T/1C(one-transistor-per-cell)结构,同时采用双层金属回路制程(double-layer metal circuit processing),以提高集成度和处理速度。

 

1999年,开发出4M的FRAM器件,为业界首个,当时其他竞争者还主要为256Kb级别。该产品操作电压为3.3V,读取时间为75ns,采用1T/1C结构,并采用了COB(Capacitor Over Bitline)技术。

 

2002年,SANSUNG独家宣布4M的FRAM可应用在移动领域,如智能手机。

 

 

以上就是各大厂商的铁电存储器FRAM相关重要事件。

 

目前,CYPRESS、TI、FUJITSU、ROHM等对铁电存储器FRAM的生产应用和宣传最多,甚至有免费的样片可供申请试用、体验,有兴趣特别是有做单片机、微电子、微系统或控制的同仁们可以关注。而随着行业技术的进步和生产成本的优化,相信铁电存储器的应用会越来越广,飞入更多寻常百姓家。

 

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