FeRAM

"오늘의AI위키"는 AI 기술로 일관성 있고 체계적인 최신 지식을 제공하는 혁신 플랫폼입니다.
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.

1. 개요

FeRAM(강유전체 램)은 1952년 제안된 비휘발성 메모리 기술로, 강유전체 물질을 사용하여 데이터를 저장한다. FeRAM은 DRAM과 유사한 구조를 가지며, 전력 소비가 적고 쓰기 속도가 빠르지만, 집적도와 비용 측면에서 단점을 보인다. 1990년대 중반 상용화되었으며, 램트론, 후지쯔, 텍사스 인스트루먼트 등이 주요 제조업체이다. FeRAM은 EEPROM보다 빠르고 전력 효율적이며, 다양한 응용 분야에 사용된다. FeRAM은 플래시 메모리, MRAM 등 다른 비휘발성 메모리와 경쟁하며, 기술 발전과 시장 확대를 모색하고 있다.

더 읽어볼만한 페이지

비휘발성 메모리 - EPROM
EPROM은 자외선을 사용하여 내용을 지울 수 있는 읽기 전용 메모리이며, MOSFET의 부유 게이트를 사용하여 데이터를 저장하고, 펌웨어 업데이트가 용이하여 소량 생산에 사용되었으나 EEPROM과 플래시 메모리에 의해 대체되었다.
비휘발성 메모리 - 플래시 메모리
플래시 메모리는 전기적으로 데이터의 쓰기 및 삭제가 가능한 비휘발성 메모리 기술로, 마스오카 후지오 박사가 발명하여 카메라 플래시와 유사한 소거 방식으로 인해 명명되었으며, NOR형과 NAND형으로 나뉘어 각기 다른 분야에 적용된다.
기억 장치 - EPROM
EPROM은 자외선을 사용하여 내용을 지울 수 있는 읽기 전용 메모리이며, MOSFET의 부유 게이트를 사용하여 데이터를 저장하고, 펌웨어 업데이트가 용이하여 소량 생산에 사용되었으나 EEPROM과 플래시 메모리에 의해 대체되었다.
기억 장치 - 정적 램
정적 램(SRAM)은 전원이 공급되는 동안 데이터를 저장하며, 갱신 회로가 필요 없고 빠른 접근 속도를 가지는 휘발성 메모리 유형이다.
신기술 - 탄소 나노튜브
탄소 나노튜브는 탄소 원자로 이루어진 나노미터 크기의 튜브로, 뛰어난 특성으로 인해 다양한 분야에 응용되며, 단일벽과 다중벽으로 구분되고, 아크 방전 등의 방법으로 합성된다.
신기술 - 라이다
라이다는 레이저를 사용하여 물체의 거리와 3차원 형상 정보를 측정하는 기술로, 코라이더 시스템에서 유래되어 자율주행차, 지형 측량, 대기 관측 등 다양한 분야에서 활용되며, 레이저 빔을 발사하고 반사된 빛의 비행시간을 측정하여 거리를 계산하는 원리를 사용한다.

FeRAM
개요
강유전체 RAM의 개략도
유형	비휘발성 메모리
액세스 방식	임의 접근
기술 정보
기록 밀도	DRAM보다 낮음
읽기/쓰기 내구성	10¹⁰ ~ 10¹⁴ 사이클
보존	10년 (@ 85 °C)
쓰기 속도	10 나노초
강유전체 RAM (FeRAM)
설명	강유전체 물질을 사용하여 데이터를 저장하는 랜덤 액세스 메모리의 한 유형
작동 원리	강유전체 커패시터의 분극 방향을 변경하여 데이터를 저장
장점	비휘발성 빠른 쓰기 속도 낮은 전력 소비 높은 내구성
단점	DRAM에 비해 낮은 기록 밀도 제조 비용이 비쌈
응용 분야	RFID 태그 스마트 카드 임베디드 시스템 산업용 제어 장치 의료 기기 자동차 전자 장치
FeRAM의 종류
구조	1T/1C (1개의 트랜지스터, 1개의 커패시터) 2T/2C (2개의 트랜지스터, 2개의 커패시터)
기록 방식	강압 기록 방식 약전계 기록 방식
FeRAM과 다른 메모리 기술 비교
DRAM	휘발성 메모리 더 빠른 속도 더 높은 기록 밀도 더 낮은 비용
플래시 메모리	비휘발성 메모리 더 높은 기록 밀도 느린 쓰기 속도 제한된 쓰기 내구성
MRAM	비휘발성 메모리 빠른 쓰기 속도 높은 내구성 더 높은 비용
기타
관련 기술	강유전체 압전기 초전기

2. 역사

FeRAM(강유전체 램)은 1952년 MIT 대학원생 더들리 앨런 벅이 석사 논문에서 처음 제안했다.^[4] 1955년 벨 연구소는 강유전체 결정 메모리를 실험했다.^[5] 1970년대 초 금속 산화물 반도체(MOS) 동적 RAM(DRAM) 칩이 도입된 후,^[6] 1980년대 후반에 FeRAM 개발이 시작되었다. 1991년 미국 항공 우주국(NASA) 제트 추진 연구소(JPL)에서 판독 방법 개선 연구를 수행했다.^[7]

1990년대 중반에 FeRAM은 상용화되었다. 1994년 비디오 게임 회사 세가는 FeRAM 칩을 사용하여 ''소닉 더 헤지혹 3''의 저장된 게임 데이터를 저장했다.^[8] 2000년에는 소니의 플레이스테이션 2 메모리 카드(8MB)에 FeRAM이 사용되었다. 이 메모리 카드의 마이크로컨트롤러(MCU)는 도시바에서 제조되었으며, 500 nm 상보형 금속 산화막 반도체(CMOS) 공정을 사용하여 제작된 32kb (4 kB) 임베디드 FeRAM을 포함했다.^[9]

램트론은 팹리스 반도체 회사로, 현대의 주요 FeRAM 제조업체이다. 후지쯔는 주요 라이선스 업체 중 하나였으며, 2010년까지 램트론용 장치를 생산했다. 2010년 이후 램트론의 제조사는 텍사스 인스트루먼트(TI)와 IBM이다. 2012년 램트론은 사이프러스 반도체에 인수되었다.^[11]

삼성전자, 마쓰시타, 오키, 도시바, 인피니온, SK 하이닉스 등 여러 기업 및 케임브리지 대학교, 토론토 대학교, 대학간 미세 전자 공학 센터(IMEC, 벨기에) 등 연구기관에서도 FeRAM 연구 프로젝트가 보고되었다.

2. 1. 초기 제안 및 연구

FeRAM은 1952년 매사추세츠 공과대학교(MIT) 대학원생 더들리 앨런 벅의 석사 논문에서 처음 제안되었다.^[4] 1955년 벨 연구소에서 강유전체 결정 메모리 실험을 진행했다.^[5] 1980년대 후반부터 본격적인 FeRAM 개발이 시작되었다. 1991년 미국 항공 우주국(NASA) 제트 추진 연구소(JPL)에서 판독 방법 개선 연구를 수행했다.^[7]

2. 2. 상용화 및 현재

FeRAM은 1990년대 중반에 상용화되었다. 1996년 삼성전자는 NMOS 로직을 사용하여 반도체 소자 제조된 4Mb FeRAM 칩을 출시했다.^[9] 1998년 현대전자(현 SK 하이닉스)도 FeRAM 기술을 상용화했다.^[10]

현재 주요 FeRAM 제조업체는 램트론이며, 후지쯔, 텍사스 인스트루먼트(TI), IBM 등이 라이선스를 받아 생산하고 있다. 삼성전자, SK 하이닉스 등 한국 기업들도 FeRAM 연구 개발을 지속하고 있다.

2021년 기준으로, 여러 공급업체에서 최대 16Mb 용량의 FeRAM 칩을 판매하고 있었다.^[26]

3. 작동 원리

FeRAM은 일반적인 DRAM과 작동 원리가 유사하다. DRAM은 작은 축전기와 관련 배선 및 신호 트랜지스터로 구성되며, 각 저장 요소('셀')는 하나의 축전기와 하나의 트랜지스터로 구성된 "1T-1C" 구조를 가진다.

FeRAM의 1T-1C 저장 셀 또한 DRAM과 유사하게 하나의 축전기와 하나의 액세스 트랜지스터를 포함한다. 그러나 DRAM 셀은 선형 유전체를 사용하는 반면, FeRAM 셀은 티탄산지르코늄산납(PZT)과 같은 강유전체 물질을 유전체로 사용한다.

강유전체는 가해진 전기장과 저장된 전하 사이에 비선형적인 관계를 가지며, 히스테리시스 루프 형태를 띤다. 이는 강자성체의 히스테리시스 루프와 유사하다. 강유전체의 유전율은 결정 구조 내 반영구적인 전기 쌍극자로 인해 선형 유전체보다 훨씬 높다. 외부 전기장이 가해지면 쌍극자는 전기장 방향으로 정렬되고, 전하가 제거된 후에도 편광 상태를 유지한다. 이진수 "0"과 "1"은 각 셀의 두 가지 전기 편광 상태("-Pr" 또는 "+Pr")로 저장된다.

FeRAM의 쓰기 동작은 강유전체 층 양쪽에 전압을 가해 내부 원자를 "위" 또는 "아래" 방향으로 전환시켜 수행된다. 읽기는 DRAM과 약간 다르다. 트랜지스터가 셀을 특정 상태("0")로 강제할 때, 셀이 이미 "0"이면 출력 라인에 변화가 없다. 셀이 "1"이면 원자 재배열로 인해 출력에 짧은 전류 펄스가 발생한다. 이 펄스로 셀의 상태를 파악하며, 이 과정에서 셀의 정보가 지워지므로(파괴적 읽기) 다시 써야 한다.

FeRAM은 1960년대 페라이트 코어 메모리와 유사하게 작동하지만, 상태 변경에 필요한 전력이 훨씬 적고 속도가 빠르다.

3. 1. 기본 구조

FeRAM의 1T-1C 저장 셀은 DRAM과 구조가 유사하며, 두 셀 모두 하나의 캐패시터(축전기)와 하나의 액세스 트랜지스터로 구성된다. DRAM 셀은 선형 유전체를 사용하지만, FeRAM 셀은 티탄산지르코늄산납(PZT)과 같은 강유전체 물질을 유전체로 사용한다.^[29]

강유전체는 가해진 전기장과 저장된 전하 사이의 비선형 관계를 가지며, 히스테리시스 루프 형태를 띤다. 이는 강자성체의 히스테리시스 루프와 유사하다. 강유전체의 유전율은 결정 구조 내 반영구적인 전기 쌍극자 때문에 선형 유전체보다 훨씬 높다. 외부 전기장이 가해지면 쌍극자는 전기장 방향으로 정렬되고, 전하가 제거된 후에도 편광 상태를 유지한다. 이진수 "0"과 "1"은 각 셀의 가능한 두 가지 전기 편광 상태로 저장된다. 예를 들어, 그림에서 "1"은 음의 잔류 편광 "-Pr", "0"은 양의 잔류 편광 "+Pr"로 인코딩된다.

3. 2. 메모리 셀 유형

FeRAM의 메모리 셀^[29] 구조는 크게 두 가지로 나뉜다. 첫 번째는 1T1C형(캐패시터형)으로, 하나의 강유전체 캐패시터(C)와 하나의 MOSFET(T)로 구성된다. 이는 DRAM과 유사한 구조를 가진다. 두 번째는 2T2C형으로, 두 개의 캐패시터를 반대 방향으로 유전 분극시켜 데이터 신뢰성을 높인다.

이 외에도, 게이트 절연막이 강유전체로 구성된 MFS-전계 효과 트랜지스터(FET) 또는 MFMIS-FET를 사용하는 1T형(트랜지스터형)이 존재한다. 이는 강유전체 부유 게이트 메모리(FFRAM)라고도 불린다.

FeRAM에서 FET를 켜는 것만으로는 비트선에 데이터가 출력되지 않는다. 셀에 기억된 데이터(1 또는 0)는 강유전체막 내에 저장되어 있기 때문에, 데이터를 읽으려면 소스 플레이트를 구동하여 캐패시터에 전압을 가해야 한다. 이를 통해 강유전체막 내의 분극을 외부로 전하량으로 읽어낼 수 있다.

이러한 이유로 FeRAM은 셀의 미세화 및 액세스 속도 고속화에 어려움이 있었다. 도시바는 이러한 단점을 극복하기 위해 2001년에 ChainFeRAM^[30]^[31]이라는 새로운 메모리 셀^[29] 구조의 FeRAM을 발표했다.

'''FeRAM'''의 메모리 셀 종류
종류	설명	특징	비고
1T1C형 (캐패시터형)	하나의 강유전체 캐패시터(C)와 하나의 MOSFET(T)로 구성	DRAM과 유사한 구조	가장 기본적인 구성
2T2C형	두 개의 캐패시터를 반대 방향으로 유전 분극	데이터 신뢰성 높음	1T1C형 기반
1T형 (트랜지스터형)	게이트 절연막이 강유전체로 구성된 MFS-전계 효과 트랜지스터(FET) 또는 MFMIS-FET 사용	강유전체 부유 게이트 메모리(FFRAM)라고도 불림
ChainFeRAM	도시바에서 2001년에 발표한 새로운 메모리 셀 구조	미세화 및 액세스 속도 고속화의 어려움 극복

3. 3. 쓰기 및 읽기

쓰기는 워드선을 통해 셀인 강유전체 캐패시터를 선택하고, 비트선과 소스 플레이트 사이에 전압을 가하여 강유전체 막을 분극시켜 데이터를 저장한다. 읽기 시에는 펄스 전압을 가하여 분극 반전에 의한 전류 발생 여부로 셀에 저장된 데이터를 센스 앰프로 판정한다. 이때, 분극은 원래 상태에 상관없이 전압 인가 방향을 향하므로 (동방향이면 전류가 흐르지 않고, 반대 방향이면 분극 반전하여 전류가 발생한다.) 파괴 읽기가 된다. 따라서 읽을 때에는 반드시 재쓰기를 필요로 하므로, 쓰기 횟수에 읽기 횟수도 포함된다.^[30]^[31]

4. 다른 메모리와의 비교

FeRAM은 다른 메모리 기술들과 비교했을 때 여러 장단점을 가진다.
DRAM과의 비교FeRAM은 DRAM과 유사한 구조를 가지지만, 전원이 꺼져도 데이터가 유지되는 비휘발성 메모리라는 점이 가장 큰 차이점이다. DRAM은 주기적인 '리프레시'가 필요하여 전력 소비가 높은 반면, FeRAM은 읽기 및 쓰기 시에만 전력을 소비하여 훨씬 효율적이다. 특히 쓰기 속도가 매우 빨라, 플래시 메모리보다 훨씬 빠른 속도로 데이터를 저장할 수 있다.

그러나 FeRAM은 DRAM보다 집적도가 낮아 생산 비용이 높고, 스케일링에도 한계가 있다.

DRAM과의 비교
항목	FeRAM	DRAM
휘발성	비휘발성	휘발성
전력 소비	낮음	높음
쓰기 속도	빠름 (약 150ns)	느림
집적도	낮음	높음
비용	높음	낮음
신뢰성	임프린트, 피로 문제	비교적 안정적

플래시 메모리와의 비교플래시 메모리와 비교했을 때, FeRAM은 쓰기 속도에서 큰 장점을 가진다. 플래시 메모리는 쓰기 시 높은 전압을 필요로 하고, 전하 펌프를 통해 전류를 축적하는 시간이 필요하여 쓰기 속도가 느리다. 반면 FeRAM은 이러한 과정 없이 빠르게 쓰기를 완료할 수 있다.^[16]

하지만 FeRAM은 임프린트(특정 상태에 대한 선호) 및 피로(반복적인 쓰기/읽기로 인한 성능 저하)와 같은 신뢰성 문제가 있다.
기타 비휘발성 메모리와의 비교자기 저항성 램(MRAM), 비휘발성 SRAM(nvSRAM), BBSRAM 등 다른 비휘발성 메모리 기술과 비교했을 때, FeRAM은 데이터 보존 기간, 내구성, 속도 등에서 각각 다른 특성을 보인다.

	FeRAM	MRAM	nvSRAM	BBSRAM
기술	강유전체 커패시터를 이용하여 전기장으로 분극^[17]	외부 자기장 방향으로 원자 정렬	고속 SRAM과 비휘발성 메모리 소자 결합	리튬 전지로 전원 공급
데이터 보존^[18]	10~160년^[19]^[20]	20년	20년	7년 (배터리 및 주변 온도에 따라 다름)
내구성	10¹⁰ ~ 10¹⁵^[20]^[21]	10⁸ ^[22]	무제한	제한적
속도 (최고)	55 ns	35 ns	15~45 ns	70~100 ns

4. 1. DRAM과의 비교

FeRAM은 DRAM과 유사한 구조를 가지지만, 몇 가지 중요한 차이점을 보인다.
장점

비휘발성: FeRAM은 전원이 꺼져도 데이터가 유지되는 비휘발성 메모리이다. 반면 DRAM은 전원이 꺼지면 데이터가 손실되므로 주기적으로 데이터를 다시 써주는 '리프레시' 과정이 필요하다.
낮은 전력 소비: FeRAM은 읽기 및 쓰기 시에만 전력을 소비한다. DRAM은 리프레시 과정에 많은 전력을 소비하므로, FeRAM은 DRAM보다 전력 소비량이 약 99% 낮다.^[14] 특히 쓰기 작업 시 전력 소비가 낮은데, 이는 플래시 메모리가 쓰기 시 높은 전압을 필요로 하는 것과 대조적이다.
빠른 쓰기 속도: FeRAM은 원자의 물리적 이동을 기반으로 작동하여 쓰기 속도가 매우 빠르다. 플래시 메모리의 쓰기 시간이 1ms 이상인 반면, FeRAM은 150ns 미만으로 쓰기를 완료할 수 있다.

단점

집적도: FeRAM은 DRAM보다 집적도가 낮다. 초기 FeRAM은 비트당 두 개의 셀이 필요했지만, 현재는 이 제한이 제거되었다. 그러나 DRAM의 집적도에 미치지 못하는 것은 여전하다.
비용: 메모리 시스템 비용은 구성 요소의 집적도와 관련이 깊다. 집적도가 낮을수록 단일 칩에 더 적은 셀을 집적할 수 있어 생산 비용이 높아진다.
스케일링의 한계: FeRAM은 재료가 너무 작아지면 강유전성을 잃는 경향이 있어, DRAM 만큼의 작은 셀 크기로 스케일링이 어려울 수 있다.^[12]^[13]

속도FeRAM은 이론적으로 DRAM보다 빠를 수 있지만, 전기적 및 스위칭 지연으로 인해 실제 속도는 DRAM과 유사할 수 있다. 350nm 공정의 FeRAM 읽기 시간은 50-60ns 정도로, 최신 DRAM보다는 느리지만, 같은 공정의 DRAM과는 비슷한 속도를 보인다.^[16]
신뢰성FeRAM은 임프린트(특정 상태에 대한 선호) 및 피로(반복적인 쓰기/읽기로 인한 성능 저하)와 같은 신뢰성 문제가 있다.

DRAM과의 비교
항목	FeRAM	DRAM
휘발성	비휘발성	휘발성
전력 소비	낮음 (읽기/쓰기에만 전력 필요)	높음 (주기적인 리프레시 필요)
쓰기 속도	빠름 (약 150ns)	느림
집적도	낮음	높음
비용	높음	낮음
신뢰성	임프린트, 피로 문제	비교적 안정적

4. 2. 플래시 메모리와의 비교

플래시 메모리와 비교했을 때 FeRAM의 장점은 훨씬 더 분명하다. 읽기 작업은 속도가 비슷할 수 있지만, 플래시 메모리는 쓰기 작업에 사용되는 전하 펌프가 전류를 "축적"하는 데 상당한 시간이 필요한 반면, FeRAM은 이러한 과정이 필요하지 않다. 플래시 메모리는 일반적으로 쓰기를 완료하는 데 1ms 이상이 필요하지만, 현재 FeRAM은 150ns 미만으로 쓰기를 완료할 수 있다.^[16]

반면에 FeRAM은 임프린트 및 피로를 포함한 자체적인 신뢰성 문제를 가지고 있다. 임프린트는 해당 상태에 대한 이전 쓰기에서 선호되는 분극 상태이며, 피로는 광범위한 사이클링 후 분극 손실로 인한 최소 쓰기 전압의 증가이다.

FeRAM의 이론적인 속도는 완전히 명확하지 않다. 기존의 350nm 장치는 50–60ns 정도의 읽기 시간을 가진다. 이는 20ns 정도의 시간을 가진 최신 DRAM에 비해 느리지만, 일반적인 350nm DRAM은 약 35ns의 읽기 시간으로 작동했으므로,^[16] FeRAM 속도는 동일한 제조 기술을 고려할 때 비슷한 것으로 보인다.

4. 3. 기타 비휘발성 메모리와의 비교

	강유전체 RAM	자기 저항성 램	nvSRAM	BBSRAM
기술	기본 저장 소자는 강유전체 커패시터이다. 커패시터는 전기장을 가하여 위 또는 아래로 분극될 수 있다.^[17]	강유전체 RAM과 유사하지만, 원자는 외부 자기장의 방향으로 정렬된다. 이 효과는 데이터를 저장하는 데 사용된다.	고속 SRAM과 함께 비휘발성 메모리 소자를 갖추고 있다.	리튬 에너지원을 사용하여 전원 공급 장치가 꺼져 있을 때 전원을 공급한다.
데이터 보존^[18]	10~160년^[19]^[20]	20년	20년	7년, 배터리 및 주변 온도에 따라 다름
내구성	10¹⁰ ~ 10¹⁵^[20]^[21]	10⁸ ^[22]	무제한	제한적
속도 (최고)	55 ns	35 ns	15~45 ns	70~100 ns

5. 강유전체 막 재료

FeRAM에 사용되는 강유전체 막 재료로는 기존 반도체 제조 공정에서 사용되지 않는 세라믹 재료가 주로 사용된다. 이러한 재료들은 분극이 용이한 축 방향을 따라 두 개의 분극 상태를 이용하여 데이터를 쓰고 읽는다. 강유전체 결정은 대부분 결정의 대칭성 때문에 분극 상태의 수가 제한된다.

5. 1. 요구 조건

FeRAM에 사용되는 강유전체 막 재료에는 다음과 같은 성질이 요구된다.

'''큰 잔류 분극''': 작은 캐패시터 면적으로 큰 분극 반전 전류를 실현하여 메모리 셀^[29] 어레이 부분의 회로 레이아웃에서 고밀도화를 실현할 수 있다.
'''낮은 비유전율''': 분극 반전하지 않는 경우의 변위 전류를 줄여 읽기 오류를 피할 수 있다.
'''낮은 항전계''': 저전압 구동에 의한 저전력화.
'''작은 누설 전류''': 전원을 끄더라도 실온에서 10년 이상에 걸친 잔류 분극(데이터) 유지(리텐션^[32]) 특성.
'''작은 분극 반전 피로(피로)^[33] 특성''': 10년 정도의 동작 보증성을 실현하기 위한 기준으로 10¹²회(이상적으로는 10¹⁵회) 이상의 분극 반전에 견딜 수 있다.
'''작은 임프린트(각인)^[34] 특성''': 쓰기 오류를 줄일 수 있다.

또한, 임프린트^[34]와 분극 반전 피로^[33] 및 누설 전류는 강유전체막 내부의 결정 입계 및 결함에 기인한다.

위의 조건을 만족하는 재료로서, 기존의 반도체 제조 공정에서는 사용되지 않는 세라믹 재료가 존재한다. 이들 강유전체 재료에서는, 분극이 용이한 축 방향을 따라 다른 두 개의 분극 상태를 이용하여 데이터의 쓰기 및 읽기를 수행한다. 강유전체 결정의 대부분은 결정의 대칭성에 의해 그 분극 상태의 수는 제한되어 있다.

5. 2. 주요 재료

FeRAM에 사용되는 강유전체 박막 재료에는 다음과 같은 성질이 요구된다.

큰 잔류 분극: 작은 캐패시터 면적으로 큰 분극 반전 전류를 실현하여 메모리 셀^[29] 어레이 부분의 회로 레이아웃에서 고밀도화를 실현할 수 있다.
낮은 비유전율: 분극 반전하지 않는 경우의 변위 전류를 줄여 읽기 오류를 피할 수 있다.
낮은 항전계: 저전압 구동에 의한 저전력화
작은 누설 전류: 전원을 끄더라도 실온에서 10년 이상에 걸친 잔류 분극(데이터) 유지(리텐션^[32]) 특성
작은 분극 반전 피로(피로)^[33] 특성: 10년 정도의 동작 보증성을 실현하기 위한 기준으로 10¹²회(이상적으로는 10¹⁵회) 이상의 분극 반전에 견딜 수 있다.
작은 임프린트(각인)^[34] 특성: 쓰기 오류를 줄일 수 있다.

또한, 임프린트^[34]와 분극 반전 피로^[33] 및 누설 전류는 강유전체막 내부의 결정 입계 및 결함에 기인한다.

위의 조건을 만족하는 재료로서, 기존의 반도체 제조 공정에서는 사용되지 않는 세라믹 재료가 아래와 같이 존재한다. 이들 강유전체 재료에서는 분극이 용이한 축 방향을 따라 다른 두 개의 분극 상태를 이용하여 데이터의 쓰기 및 읽기를 수행한다. 강유전체 결정의 대부분은 결정의 대칭성에 의해 그 분극 상태의 수가 제한되어 있다.

(Pb,La)(Zr,Ti)O₃ (PLZT)
다른 분야에서 실용화가 진행되어 막 형성 방법의 노하우가 축적되어 있다.
잔류 분극량이 배향에 따라 25uC/cm2에서 100uC/cm2로 크고, 고밀도화에 적합하다.
결정화 온도가 550°C로 낮아, 집적 회로의 반도체 제조 공정과 궁합이 좋다.
인체에 유해한 납이 포함되어 있어, 환경 기준에 대응할 수 없다.
고온 처리에 견딜 수 있는 백금이나 금 등을 전극으로 사용하면 피로 현상^[33]이 현저해지고, 10⁷회 이하의 분극 반전으로 잔류 분극이 현저히 감소한다. 단, IrO₂ 등의 전극 재료를 사용한 경우에는 10¹²회 이상의 분극 반전에도 견딜 수 있다.
이 재료 계열에서는, 종전 분극 도메인의 나노 구조화에 의해 분극이 쉬운 축의 방향이 결정의 대칭성에 얽매이지 않고 극 축이 자유롭게 회전하는 것이 이미 제시되었다. 이는 기록 밀도가 기존에 비해 2자리 증가한다는 가능성을 보여준다.
2014년에 그 분극 자유 회전 상태의 쓰기 및 읽기 실증이 보고되었다^[35]^[36]^[37]。

'''SrBi₂Ta₂O₉ (SBT)'''
항전계가 PZT의 60kV/cm보다 작은 40kV/cm으로, 저전압 구동이 가능하다.
전극 재료에 관계없이 높은 피로 내성^[33]을 가지며, 10¹²회 이상의 분극 반전에 견딜 수 있다.
인쇄 현상^[34]이 일어나기 어렵다.
강유전성을 얻기 위해서는 700°C 이상의 고온에서 결정화해야 한다.
잔류 분극을 갖는 a축 방향으로 박막을 성장시키기 어렵다.
잔류 분극량이 25uC/cm2로 상대적으로 작다.

'''(Bi,Ln)₄Ti₃O₁₂''' (BLT, Ln = La, Nd, Pr 등)
잔류 분극량이 배향에 따라 10uC/cm2에서 50uC/cm2로 비교적 크다.
Bi에 대해 La을 10%에서 20% 정도 첨가하면 피로 현상^[33]을 억제할 수 있다^[38]^[39]。
600°C라는 저온에서 형성할 수 있다^[40]
배향을 제어하여 결정화시키기 어려워, 현상으로는 잔류 분극량이 작고 항전계가 높다.

6. 신뢰성

FeRAM은 데이터를 저장하는 방식 특성상 쓰기 동작 중에 일시적인 오류가 발생할 가능성은 있지만, 전반적으로 매우 높은 신뢰성을 갖는다.

6. 1. 자기장 내성

FeRAM은 MRAM에 비해 높은 자기장 환경에서도 데이터 신뢰성이 보장된다. Cypress Semiconductor^[15]의 FeRAM 장치는 강한 자기장에 면역성이 있으며, 최대 사용 가능한 자기장 강도(수평 삽입의 경우 3700G, 수직 삽입의 경우 2000G)에서도 고장을 보이지 않는다. 또한 FeRAM 장치는 자기장에 노출된 후 다른 데이터 패턴으로 다시 쓰기가 가능하다.

7. 응용 분야

FeRAM은 EEPROM보다 동작이 빠르고 소비 전력이 낮으며, 셀 크기가 작고^[41] 반도체 제조 공정과의 호환성이 좋다는 장점이 있다. 레이콤 시스템즈가 세계 최초로 256비트 FeRAM을 실용화하여 비접촉 IC 카드에 적용하였다. 다만, 개인용 컴퓨터의 주 기억 장치로 대체하는 것은 아직 실용화되지 않았다.

7. 1. 주요 응용 분야

FeRAM은 다음과 같은 주요 응용 분야에 사용된다.

이식형 의료 기기 및 휴대용 의료 기기의 데이터 로거: EEPROM과 같은 다른 비휘발성 메모리에 비해 전력 소비가 적다.^[23]
자동차 시스템의 사고 데이터 기록 장치: 충돌 또는 고장 시에도 중요한 시스템 데이터를 캡처한다.
스마트 미터: 빠른 쓰기 속도와 높은 내구성을 제공한다.
산업용 PLC: CNC 공작 기계 위치와 같은 기계 데이터를 기록하기 위한 배터리 백업 SRAM(BBSRAM) 및 EEPROM의 이상적인 대체재로 사용된다.
IC 카드 (Felica 등): 2006년에 후지쯔의 FRAM이 소니의 Felica에 채용되는 등 일본에서는 이미 널리 보급되어 있다.^[42]

8. 시장 현황 및 전망

FeRAM은 전체 반도체 시장에서 작은 부분을 차지하며, 플래시 메모리에 비해 시장 규모와 연구 개발 투자가 적다. 2005년 FeRAM 최대 공급 업체인 Ramtron의 연간 매출은 플래시 메모리 시장 규모에 비해 매우 작았다. 플래시 메모리는 FeRAM보다 면적 비트 밀도가 높고 비트당 비용이 낮아 가격 경쟁력에서 우위를 점하고 있다.^[24]

FeRAM은 전력량계, 자동차( 블랙 박스, 스마트 에어백 ), 사무 기기( 프린터, RAID 디스크 컨트롤러 ), 의료 장비, 산업용 마이크로컨트롤러, 무선 주파수 식별 태그 등 다양한 분야에 활용된다. 텍사스 인스트루먼트는 FeRAM을 마이크로컨트롤러에 통합하여 공정 단순화와 비용 절감을 이루어냈다.^[25] 그러나 FeRAM은 MRAM 등 다른 새로운 NVRAM과의 경쟁, PZT 강유전체 층과 전극에 사용되는 귀금속으로 인한 CMOS 공정 호환성 및 오염 문제 등은 해결해야 할 과제이다.

8. 1. 시장 규모

FeRAM은 전체 반도체 시장에서 비교적 작은 부분을 차지한다. 2005년 전 세계 반도체 판매량은 2350억달러였으며, 플래시 메모리 시장은 186억달러를 차지했다. 가장 큰 FeRAM 공급 업체일 것으로 추정되는 Ramtron의 2005년 연간 매출은 3270.0000000000005만달러로 보고되었다. 플래시 메모리의 판매량이 훨씬 크기 때문에 다른 NVRAM에 비해 더 많은 연구 개발 투자가 이루어지고 있다. 2007년 기준으로 플래시 메모리는 삼성전자에서 30nm의 반도체 선폭으로 생산되는 반면, FeRAM은 후지쯔에서 350nm, 텍사스 인스트루먼트에서 130nm 선폭으로 생산된다. 플래시 메모리 셀은 셀당 여러 비트를 저장할 수 있으며 (현재 최고 밀도 NAND 플래시 장치에서는 4비트), 플래시 셀 설계 혁신으로 인해 플래시 셀당 비트 수는 8비트까지 증가할 것으로 예상된다. 결과적으로 플래시 메모리의 면적 비트 밀도는 FeRAM보다 훨씬 높으며, 따라서 플래시 메모리의 비트당 비용은 FeRAM보다 수 배 더 낮다.

FeRAM 어레이의 밀도는 FeRAM 파운드리 공정 기술 및 수직 커패시터 구조(DRAM과 동일한 방식) 개발과 같은 셀 구조 개선을 통해 증가할 수 있으며, 이는 셀 풋프린트의 면적을 줄여준다. 그러나 셀 크기를 줄이면 데이터 신호가 감지할 수 없을 정도로 약해질 수 있다. 2005년, Ramtron은 전력량계를 포함한(하지만 이에 국한되지 않음) 다양한 분야에서 FeRAM 제품의 상당한 판매 실적을 보고했다.^[24] 판매 분야는 자동차(예: 블랙 박스, 스마트 에어백), 사무 기기(예: 프린터, RAID 디스크 컨트롤러), 계측, 의료 장비, 산업용 마이크로컨트롤러 및 무선 주파수 식별 태그 등이다. MRAM과 같은 다른 새로운 NVRAM은 FeRAM과 경쟁하여 유사한 틈새 시장에 진입하려고 할 수 있다.

텍사스 인스트루먼트는 기존의 CMOS 반도체 제조 과정에서 두 단계의 추가 마스크 공정을 사용하여 FeRAM 셀을 임베딩하는 것이 가능하다는 것을 증명했다. 플래시는 일반적으로 9개의 마스크가 필요하다. 이를 통해 예를 들어, FeRAM을 마이크로컨트롤러에 통합하여 단순화된 공정으로 비용을 절감할 수 있다. 그러나 FeRAM을 만드는 데 사용되는 재료는 일반적으로 CMOS 집적 회로 제조에 사용되지 않는다. PZT 강유전체 층과 전극에 사용되는 귀금속은 모두 CMOS 공정 호환성 및 오염 문제를 야기한다. 텍사스 인스트루먼트는 새로운 FRAM 시리즈의 MSP430 마이크로컨트롤러에 일정량의 FRAM 메모리를 통합했다.^[25]

8. 2. 경쟁 환경

FeRAM은 전체 반도체 시장에서 비교적 작은 부분을 차지하고 있다. 2005년 전 세계 반도체 판매량은 2350억달러였으며, 플래시 메모리 시장은 186억달러를 차지했다.^[24] 플래시 메모리는 다른 비휘발성 메모리(NVRAM)에 비해 훨씬 더 큰 연구 개발 노력을 뒷받침 받고있다. 플래시 메모리는 삼성에서 30 nm의 반도체 선폭으로 생산되는 반면(2007년), FeRAM은 후지쯔에서 350 nm, 텍사스 인스트루먼트에서 130 nm 선폭으로 생산된다(2007년). 플래시 메모리 셀은 셀당 여러 비트를 저장할 수 있으며(현재 최고 밀도 NAND 플래시 장치에서는 4비트), 플래시 셀 설계 혁신으로 인해 플래시 셀당 비트 수는 8비트까지 증가할 것으로 예상된다. 결과적으로 플래시 메모리의 면적 비트 밀도는 FeRAM보다 훨씬 높으며, 따라서 플래시 메모리의 비트당 비용은 FeRAM보다 수 배 더 낮다.

FeRAM 어레이의 밀도는 FeRAM 파운드리 공정 기술 및 수직 커패시터 구조(DRAM과 동일한 방식) 개발과 같은 셀 구조 개선을 통해 증가할 수 있지만, 셀 크기를 줄이면 데이터 신호가 감지할 수 없을 정도로 약해질 수 있다. 2005년, Ramtron은 전력량계를 포함한(하지만 이에 국한되지 않음) 다양한 분야에서 FeRAM 제품의 상당한 판매 실적을 보고했다.^[24] 판매된 분야로는 자동차(예: 블랙 박스, 스마트 에어백), 사무 기기(예: 프린터, RAID 디스크 컨트롤러), 계측, 의료 장비, 산업용 마이크로컨트롤러 및 무선 주파수 식별 태그 등이 있다. MRAM과 같은 다른 새로운 NVRAM은 FeRAM과 경쟁하여 유사한 틈새 시장에 진입하려고 할 수 있다.

텍사스 인스트루먼트는 기존의 CMOS 반도체 제조 과정에서 두 단계의 추가 마스크 공정을 사용하여 FeRAM 셀을 임베딩하는 것이 가능하다는 것을 증명했다. 플래시는 일반적으로 9개의 마스크가 필요하다. 이를 통해 예를 들어, FeRAM을 마이크로컨트롤러에 통합하여 단순화된 공정으로 비용을 절감할 수 있다. 그러나 FeRAM을 만드는 데 사용되는 재료는 일반적으로 CMOS 집적 회로 제조에 사용되지 않는다. PZT 강유전체 층과 전극에 사용되는 귀금속은 모두 CMOS 공정 호환성 및 오염 문제를 야기한다. 텍사스 인스트루먼트는 새로운 FRAM 시리즈의 MSP430 마이크로컨트롤러에 일정량의 FRAM 메모리를 통합했다.^[25]

8. 3. 기술 발전 방향

FeRAM의 집적도를 높이기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. FeRAM 파운드리 공정 기술과 셀 구조를 개선하여 셀 면적을 줄이는 것이 주요 과제이다. 예를 들어, DRAM과 유사한 수직 커패시터 구조를 개발하면 셀 면적을 줄일 수 있다. 하지만 셀 크기가 지나치게 작아지면 데이터 신호를 감지하기 어려워질 수 있다는 문제점도 존재한다.^[24]

텍사스 인스트루먼트는 CMOS 반도체 제조 공정에 FeRAM 셀을 통합하는 기술을 개발하고 있다. 기존 CMOS 공정에 두 단계의 마스크 공정만 추가하면 FeRAM 셀을 만들 수 있어, 공정이 단순해지고 비용이 절감된다. 이 기술은 마이크로컨트롤러와 같은 시스템에 FeRAM을 통합하는 데 활용될 수 있다. 텍사스 인스트루먼트는 새로운 FRAM 시리즈의 MSP430 마이크로컨트롤러에 FRAM 메모리를 통합하였다.^[25] 그러나 PZT 강유전체 층과 전극에 사용되는 귀금속이 CMOS 공정과의 호환성 및 오염 문제를 야기할 수 있다는 점은 해결해야 할 과제이다.

9. 한국의 FeRAM 개발 현황

FeRAM은 현재 한국에서 개발 및 생산이 이루어지지 않고 있다.

참조

_[1] 웹사이트 FRAM technology https://www.cypress.[...] Cypress semiconductos
_[2] 웹사이트 FeTRAM: memória não-volátil consome 99% menos energia http://www.inovacaot[...] 2011-09-29
_[3] 웹사이트 Memory FRAM 4 M Bit (512 K × 8) MB85R4001A https://www.fujitsu.[...] Fujitsu Semiconductor 2013
_[4] 간행물 Ferroelectrics for Digital Information Storage and Switching MIT 1952-06
_[5] 논문 Computer Memories http://blog.modernme[...] 2016-08-22
_[6] 웹사이트 1970: Semiconductors compete with magnetic cores https://www.computer[...] 2019-06-19
_[7] 논문 Optically addressed ferroelectric memory with nondestructive readout 1995-06
_[8] 간행물 FRAM converges with video game https://books.google[...] 1994
_[9] 서적 Nanostructures: Synthesis, Functional Properties and Application Springer 2003
_[10] 웹사이트 History: 1990s https://www.skhynix.[...] 2019-07-06
_[11] 웹사이트 Cypress Semiconductor completes Ramtron acquisition http://www.bizjourna[...] Denver Business Journal 2012-11-21
_[12] 논문 Ferroelectric phase transition in individual single-crystalline BaTiO₃ nanowires https://web.sas.upen[...] 2006
_[13] 논문 Critical thickness for ferroelectricity in perovskite ultrathin films 2003
_[14] 웹사이트 TN-47-16: Designing for High-Density DDR2 Memory https://www.micron.c[...]
_[15] 웹사이트 FRAM - Magnetic field Immunity https://www.cypress.[...] Cypress Semiconductors
_[16] 서적 1992 Symposium on VLSI Circuits Digest of Technical Papers 1992-06-01
_[17] 웹사이트 F-RAM™ Technology Brief http://www.cypress.c[...] Cypress Semiconductors 2016-06
_[18] 웹사이트 Non-Volatile RAM for the Internet of Things (IOT) https://site.ieee.or[...] IEEE Pikes Peak Section 2020-06
_[19] 웹사이트 FRAM Data sheets https://www.cypress.[...] Cypress Semiconductors
_[20] 웹사이트 CY15B116QI Data Sheet https://www.cypress.[...] Cypress Semiconductors
_[21] 웹사이트 FRAM http://www.cypress.c[...] Cypress Semiconductors
_[22] 웹사이트 Unleashing MRAM as Persistent Memory https://www.electron[...] Electronic Design 2018-03-21
_[23] 웹사이트 Energy comparison between FRAM and EEPROM https://www.cypress.[...] Cypress Semiconductors
_[24] 웹사이트 User Manual: Single phase, single rate, Credit Meter http://universalmete[...] Ampy Automation Ltd
_[25] 웹사이트 FRAM – Ultra-Low-Power Embedded Memory http://www.ti.com/FR[...] Texas Instruments
_[26] 웹사이트 F-RAM (Ferroelectric RAM) - Infineon Technologies https://www.infineon[...] 2021-12-18
_[27] 웹사이트 Cypress Semiconductor has acquired Ramtron International Corporation http://www.cypress.c[...] 2014-03-07
_[28] 웹사이트 強誘電体メモリ「FeRAM」への呼称変更のお知らせ https://www.fujitsu.[...] 2024-03-03
_[29] 문서 데이터의 최소 단위인 1bit를 유지하기 위해 필요한 회로
_[30] 논문 신부휘발성메모리ChainFeRAM https://www.toshiba.[...] "[[東芝]]" 2001-01
_[31] 문서 なお、'''ChainFeRAM'''は[[東芝]]の[[商標]]である。
_[32] 문서 時間経過しても残留分極を維持し続ける事
_[33] 문서 分極反転を繰り返すと残留分極が減少していく現象
_[34] 문서 電場に因って、分極率-電圧特性が経時的にシフトする現象（同一方向に複数回パルス電圧を印加した後では逆方向のパルス電圧を印加しても1回では完全分極反転し難くなる。）
_[35] 논문 Deterministic arbitrary switching of polarization in a ferroelectric thin film http://www.nature.co[...] "[[ネイチャー|Nature Publishing Group]]" 2014-09-18
_[36] 간행물 強誘電体メモリー、超高密度化に道 http://www.tohoku.ac[...] 東北大学 2014-09-19
_[37] 뉴스 東北大、強誘電体メモリの記録密度を大幅に向上させる可能性を示す https://news.mynavi.[...] マイナビ 2014-09-22
_[38] 학술지 Direct observation of oxygen stabilization in layered ferroelectric Bi_3.25La_0.75Ti₃O₁₂ http://scitation.aip[...] 米国물리학협회 2007-09-10
_[39] 학술지 Direct observation of oxygen stabilization in layered ferroelectric Bi_3.25La_0.75Ti₃O₁₂ http://www.spring8.o[...] 理化学研究所 2007-09-10
_[40] 간행물 FeRAM用新強誘電体薄膜の低温成膜に成功 http://pr.fujitsu.co[...] 富士通 2001-03-30
_[41] 문서 ゲート長の最小寸法をFとした時のセルサイズ。なおEEPROMでは40F²以上である
_[42] 간행물 FRAM搭載LSIがFeliCa方式ICカードに採用 http://pr.fujitsu.co[...] 富士通 2006-11-07
_[43] 문서 FRAM은 Ramtron International 사의 상표로 등록되어 있다. 일반적인 강유전체 램을 뜻할 때는 FeRAM을 쓰는 것이 좋다.

본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
모든 문서는 AI에 의해 자동 생성되며, CC BY-SA 4.0 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.
하지만, 위키백과나 뉴스 기사 자체에 오류, 부정확한 정보, 또는 가짜 뉴스가 포함될 수 있으며, AI는 이러한 내용을 완벽하게 걸러내지 못할 수 있습니다.
따라서 제공되는 정보에 일부 오류나 편향이 있을 수 있으므로, 중요한 정보는 반드시 다른 출처를 통해 교차 검증하시기 바랍니다.

문의하기 : help@durumis.com