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、
強誘電体の
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。