強誘電体メモリ

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強誘電体メモリ(きょうゆうでんたいめもり・: Ferroelectric Random Access Memory)とは、FeRAMとも呼ばれる、強誘電体ヒステリシス(履歴効果)に因る正負の残留分極(自発分極)をデータの1と0に対応させた不揮発性メモリのことである。なお、FRAMは同種のRAMのラムトロン・インターナショナル(【現】サイプレス・セミコンダクター[1])による商標で、国内では富士通が同社とのライセンスによりFRAMの名称を使用している。

強誘電体分極反転時間は1ns以下であり、FeRAMDRAM並みの高速動作が期待される。

構造と動作原理[編集]

FeRAMセルにはキャパシターが用いられており、この意味においては、DRAMと基本的に類似したセルである。しかし、このキャパシター板間の材料には強誘電体が用いられているという点で、FeRAMDRAMとは大きく異なる。

メモリセル[2]構成としては、FeRAMには大きく分けて2種類が提案されている。具体的には、強誘電体キャパシター(C)とメモリセル[2]選択用のMOSFET(T)を組み合わせる1T1C型(キャパシター型)とこれをベースにして、2つのキャパシターを逆向きに分極させることでデータの信頼性を高めている2T2C型である。なお、1T1C型DRAMと同じメモリセル[2]構成でもある。

更に、この他に、ゲート絶縁膜強誘電体から成るMFS-FET又はMFMIS-FETを用いる1T型(トランジスター型)が存在し、これは特にFFRAMと呼ばれて区別されている。

FeRAMでは、FETをオンさせただけではビット線にはデータは出力されない。何故ならば、セルであるキャパシター電圧が印加されない状態では、セルに記憶されているデータが1であるか0であるかは強誘電体中に保存されているので、それを読み出すにはソースプレートを駆動してキャパシター電圧を印加して強誘電体中の分極を外部に電荷量として読み出さなければならないからである。(これは読み出しに静電容量が極めて大きいセルキャパシターを駆動する時間を必要とすることも意味する。)従って、FeRAMにおいては、ワード線とビット線以外にも、ソースプレートの駆動線と特定のセルのそれを駆動するためのデコーダー回路が必要となる。

これに因って、FeRAMではセル微細化アクセス速度の高速化においては、困難が伴う。これらの欠点を克服すべく、東芝が、ChainFeRAMと呼ばれる、新しいメモリセル[2]構造のFeRAM2001年に発表している[3]。なお、ChainFeRAM東芝商標である。

FeRAMのメモリセル
1T1C型及び1T型(最も基本的な構成) 
2T2C型 
回路図中の着部分は強誘電体キャパシターを示す。

1T1C型[編集]

書き込み時にはワード線でセルである強誘電体キャパシターを選択し、ビット線とソースプレートの間に電圧を印加して強誘電体分極させる。読み出し時にはパルス電圧を加えて分極反転による電流が流れたかどうかでセルに蓄えられたデータをセンスアンプで判定する。この時、分極は元の状態に依らずに電圧印加方向を向く(同方向ならば電流が流れず、反対方向ならば分極反転して電流が生じる。)ので、破壊読出しとなる。このため、読み出す時には必ず再書き込みを必要とするので、書き込み回数に読み出し回数も含まれる。

キャパシター常誘電体でなく強誘電体であるので、FETリーク電流が有ったり電源が遮断されてもキャパシター電荷量を失わない(データが消えない)。つまり、不揮発メモリであると同時にリフレッシュが不要な為に消費電力が少ない。

2T2C型[編集]

1T1C型と同様にワード線に拠ってセル強誘電体キャパシター1を選択する。書き込みは同様にソースプレートの昇によって行なうが、この時に、対となっている強誘電体キャパシター2のFETのビット線にも時間差を付けて昇する。このままではソースプレートを降した時点で対となっている側の強誘電体キャパシター2には負の電圧が印加されるため、書き込みを意図している強誘電体キャパシター1とは逆方向残留分極が発生する。こうして互いに異なる向きの分極が形成されるため、「0・1」または「1・0」という組み合わせでデータを表す。

読み出し時も同様にワード線とソースプレートを昇して、ビット線のどちらの電圧の変化が大きいか(どちらに変位電流が流れるか)を測定することでデータを判定する。なお、この時に順方向分極を持つ強誘電体キャパシター1でも電圧が変化するのは分極の微小変位によるものである。また、読み出し時に、強誘電体キャパシター2のワード線より先にソースプレートを降すると、負の電圧が印加されて再書き込みが行なわれ、読み出し時のデータ破壊を防げる。

強誘電体膜の材料[編集]

FeRAMに用いられる強誘電体材料には以下のような性質が要求される。

小さなキャパシター面積で大きな分極反転電流を実現してメモリセル[2]アレイ部分の回路レイアウトにおいて高密度化を実現できる
分極反転しない場合の変位電流を低減して読み出しエラーを避けられる
電圧駆動に拠る省電力
電源を切っても室で10間以上に亘る残留分極(データ)保持(リテンション[4])特性
10年程度の動作保証性を実現するための目安として1012回(理想的には1015回)以上の分極反転に耐えられる
  • 小さいインプリント(刷り込み)[6]特性
書き込みエラーを減らせる

なお、インプリント[6]分極反転疲労[5]及びリーク電流強誘電体内部の結晶粒界結晶欠陥に起因する。

上記の条件を満たす材料として、下記の様な、従来の半導体製造プロセスでは使用されていないセラミック材料が存在する。これらの多くの強誘電体材料では、分極が容易な方向に沿った異なる2つの分極状態を利用してデータの書き込みや読み出しを行っている。言い換えれば、強誘電体結晶の多くは、結晶対称性によってその分極状態のは限られている。

PLZT[編集]

(Pb,La)(Zr,Ti)O3

材料系では、従前、分極ドメインナノ構造化に拠って分極が容易な方向結晶対称性に束縛されずが自由に回転することが既に示されている。これは記録密度が従来に対して2増大するという可能性を示している。 そして、2014年に、その分極自由回転状態の書き込みと読み込みの実証が報告されている[7][8][9]

SBT[編集]

SrBi2Ta2O9 (タンタル酸ビスマスストロンチウム)

BLT[編集]

(Bi,Ln)4Ti3O12 Ln=La, Nd, Pr, etc.

実用[編集]

世界で初めてFeRAMを実用化したのはレイコム・システムズである。それは256bits品で非接触ICカードでの利用をターゲットとして開発された。

FeRAMは、従来広く用いられてきたEEPROMよりも、動作が高速で消費電力が低く、セルサイズも15F2と小さく[13]マスクの追加が少なくて済むなど半導体製造プロセスとの相性も良い。このため、2006年富士通FRAMソニーFelicaに採用され[14]るなど、少なくとも日本国内においては、既に一般生活において身近に普及している。

ただし、PCなどに搭載されるメインメモリの代替としては未だに実用化の目途は立っていない。

関連項目[編集]

参考資料[編集]

外部リンク[編集]

注釈・出典[編集]

  1. ^ Cypress Semiconductor has acquired Ramtron International Corporation” (英語). 2014年3月7日閲覧。
  2. ^ a b c d e データの最小単位である1bitを保持するために必要な回路
  3. ^ 新不揮発性メモリChainFeRAM (PDF) 」 、『東芝レビュー』第56巻第1号、東芝2001年1月、 51-54頁。
  4. ^ 時間経過しても残留分極を維持し続ける事
  5. ^ a b c d e 分極反転を繰り返すと残留分極が減少していく現象
  6. ^ a b c 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パルス電圧を印加しても1回では完全に分極反転し難くなる。)
  7. ^ “Deterministic arbitrary switching of polarization in a ferroelectric thin film”. Nature Communications 5 (Nature Publishing Group) (4971). (2014-09-18). doi:10.1038/ncomms5971. http://www.nature.com/ncomms/2014/140918/ncomms5971/full/ncomms5971.html. 
  8. ^ “強誘電体メモリー、超高密度化に道” (PDF) (プレスリリース), 東北大学, (2014年9月19日), http://www.tohoku.ac.jp/japanese/newimg/pressimg/tohokuuniv-press_20140919_02web.pdf 
  9. ^ “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”. マイナビ. (2014年9月22日). http://news.mynavi.jp/news/2014/09/22/305/ 
  10. ^ “Direct observation of oxygen stabilization in layered ferroelectric Bi3.25La0.75Ti3O12 (PDF). APPLIED PHYSICS LETTERS (American Institute of Physics) 91 (062913). (2007-09-10). doi:10.1063/1.2768906. http://scitation.aip.org/deliver/fulltext/aip/journal/apl/91/6/1.2768906.pdf?itemId=/content/aip/journal/apl/91/6/10.1063/1.2768906&mimeType=pdf&containerItemId=content/aip/journal/apl. 
  11. ^ (PDF) Direct observation of oxygen stabilization in layered ferroelectric Bi3.25La0.75Ti3O12. 理化学研究所. (2007-09-10). http://www.spring8.or.jp/pdf/en/res_fro/07/056-057.pdf. 
  12. ^ “FeRAM用新強誘電体薄膜の低温成膜に成功” (プレスリリース), 富士通, (2001年3月30日), http://pr.fujitsu.com/jp/news/2001/03/30-1.html 
  13. ^ EEPROMでは40F2以上である
  14. ^ “FRAM搭載LSIがFeliCa方式ICカードに採用” (プレスリリース), 富士通, (2006年11月7日), http://pr.fujitsu.com/jp/news/2006/11/7.html