FeRAM - 通信用語の基礎知識

強誘電体メモリー。DRAMを改良し、不揮発性を高めたメモリーの一つ。「FRAM」とも呼ばれるが、これは商標である。

概要

DRAMは常誘電体キャパシタ(コンデンサー)に電荷を蓄積するが、このキャパシタを強誘電体としたもの。

誘電体には、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)などのペロブスカイト化合物が主に用いられている。

消費電力は10μW未満と省電力で、かつ書き込み速度はフラッシュメモリーやEEPROMに対し数十倍以上高速である。SRAMやDRAMと比較しても同程度の速度を有する。読み出し速度は書き込みとほぼ同等である。

特徴

書き換え回数

書き換え回数は10¹²～10¹⁶回以上と、SRAM/DRAM並かそれ以上に高寿命である。

フラッシュメモリーと比較しても1万倍以上あるため、実質的に寿命を気にする必要がない。

容量と速度

メモリーセル面積が小さく済み、理論上は高集積で大容量化が可能。しかしキャパシタの品質のばらつきから、大容量化は困難ではないかとの指摘がある。

また、FeRAMは基本的にキャパシタの電荷を読み出すためデータ破壊読み出し型メモリーである。元の値を保持するためには、読んだ後に再書き込みをする必要があり、このための時間が必須で、読み出しにも時間がかかる点が問題とされる。しかし、非破壊読み出しを謳った製品も研究されている。

読み書き速度は30ns～100ns程度で、SRAM/DRAMと同等からやや遅い程度である。

動作原理

FeRAMのセルは3タイプあり、2T2C、1T1C、1Trがある。

T2C型: 2T2C(2トランジスタ2キャパシタ)セルは実用化済みで、片方に1、もう片方には反対に0を記録させ、電位差がプラスなら1、マイナスなら0というように出力する。
1T1C型: 1T1Cセルは集積度向上のため、0と1の中間レベルのリファレンス電圧を用意し、この電圧を基準として0か1かを判断する。
1Tr型: 1Trセルは1T1Cセルからキャパシタを除去し更に集積度を高めたもので、FETのゲート絶縁体膜を強誘電体膜に置きかえることでFETにキャパシタの能力を持たせた。

強誘電体材質

強誘電体には、様々な素材が使われている。

BLT、SBT、PZTなどがあり、主力はPZTであるが、どれにも一長一短がある。

PZT

PZTには鉛が含まれている。

またプロセスの微細化でも、130nmプロセス以降では、情報の記憶に必要な電荷量が得られない、という問題を持っていた。

BFOZT

PZTの後継とされるのは、ビスマスフェライト(BFO)である。

従来は、書き込み回数が少ない、リーク電流が多いといった問題があったが、ビスマス成分の一部をサマリウムに置換し書き換えによる劣化を抑え、鉄成分の約半分をクロムに置換することでリーク電流を低下させた。

かくして1,000億回までの書き換えと、従来の数千分の1(PZTと同等)までリーク電流を抑えることに成功したとされる。

この技術を用い、富士通は90nmプロセス以降のFeRAMを開発するとしている。

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用語の所属

FE
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