強誘電体メモリ

強誘電体メモリ(FeRAM)



強誘電体メモリ、またはFeRAM(Ferroelectric Random Access Memory)は、強誘電体の特性を利用してデジタルデータを記録する不揮発性メモリです。その特徴は、強誘電体ヒステリシス効果によって生じる残留分極を用い、デジタルデータを表現することにあります。このメモリは、特に高速な動作と省電力性が要求される用途に向いています。現在、日本では富士通がFRAMの名称で商標登録を行い同技術を積極的に推進しています。

構造と動作原理



FeRAMの基本的なセル構成は、キャパシターとMOSFETを用いた1T1C型と呼ばれる形式と、さらに2つのキャパシターを用いた2T2C型があります。この構成では、1T1C型がDRAMと似た構成を持ち、キャパシターの極板に強誘電体を用いることで捉えた分極状態に基づいてデータを保存します。一方の2T2C型では、対となるキャパシターによってデータの信頼性を向上させています。

読み出しプロセスでは、特定のキャパシターに電圧を印加することで、保存されたデータの状態を検出することが特徴です。そのため、非常に大きなキャパシターが必要で、微細化や高速アクセスが難しいという課題があります。これらの課題を克服するために、新たな構造を採用したChainFeRAMが2001年に発表されました。

1T1C型と2T2C型



1T1C型


書き込み時には、ワード線を選択し、ソースプレートとビット線間に電圧を印加します。これにより強誘電体の分極が形成され、読み出し時には分極の反転を使ってデータの状態を判定します。この方式では、データを読み取る際には再書き込みが必要なので、書き込み回数が増加します。この型は、強誘電体キャパシターの特性により電源が切れてもデータを保存し続けられるため、消費電力が少ないという利点があります。

2T2C型


この形式では、書き込み時に対向するキャパシターに異なる電圧を印加し、互いに異なる向きの分極を形成します。この方式により、データの信頼性を高め、読み出し時には分極の変位を利用してデータを判読します。これにより、再書き込みを行うことなくデータの保持を実現しています。

使用素材と特徴



FeRAMに使われる強誘電体膜には、数多くの特性が求められます。例えば、大きな残留分極やリーク電流を抑えた設計が必要です。PLZTやSBT、BLTといった強誘電体材料は、残留分極や疲労耐性、インプリント特性の観点から利点を持っています。

実用と展望



実用化に関しては、レイコム・システムズが初めてFeRAMを商業化し、256ビットサイズで非接触ICカードに利用されました。従来のEEPROMと比較しても、FeRAMはより高速で省電力性に優れ、セルサイズも小さいため、半導体製造プロセスとの親和性が高く、多くの用途に適応しています。特に日本では、富士通のFRAMがソニーのFelicaにも採用されるなど、実用化は進んでいますが、パーソナルコンピュータの主記憶装置としての展開には課題が残ります。

FeRAMは今後、より広範な用途での展開が見込まれ、特にIoTデバイスやセンサーネットワークなど、高速処理と低消費電力が求められる分野での利用が期待されています。

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