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、英: ferroelectric random-access memory）とは、FeRAMとも呼ばれる、強誘電体のヒステリシス（履歴効果）に因る正負の残留分極（自発分極）をデジタルデータの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）による商標で、日本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た。富士通の不揮発性メモリ事業は後に富士通セミコンダクターメモリソリューションへ移管され、2025年1月にはRAMXEED株式会社へ社名変更されている。2025年6月には同社も製品呼称を「FRAM」から一般的な「FeRAM」へと変更した。

強誘電体膜の分極反転時間は1ns以下と極めて短く、FeRAMはDRAM並みの高速動作が可能である。さらに、不揮発性メモリでありながらフラッシュメモリやEEPROMなどと比較して書き換え耐性が極めて高く（10^12〜10^14回以上）、データの書き込み（消去）時に昇圧などの高電圧を必要としないため、消費電力が非常に小さいという特長を持つ。このように、RAMの持つ「高速・高耐久」と、ROMの持つ「不揮発性」を兼ね備えた理想的なメモリとして位置づけられている。

構造と動作原理

FeRAMの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、このキャパシターの極板間の材料には強誘電体が用いられているという点で、FeRAMはDRAMとは大きく異なる。

メモリセル構成としては、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型はDRAMと同じメモリセル構成でもある。

更に、この他に、ゲート絶縁膜が強誘電体から成る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に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膜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に電圧を印加して強誘電体膜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。

このためFeRAMでは、セルの微細化やアクセス速度の高速化は困難であった。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構造のFeRAMを2001年に発表している。

強誘電体膜の材料

FeRAMに用いられる強誘電体膜の材料には以下のような性質が要求される。

大きい残留分極

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

低い比誘電率

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

低い抗電界

低電圧駆動に拠る省電力化

小さいリーク電流

電源を切っても室温で10年間以上に亘る残留分極（データ）保持(リテンション)特性

小さい分極反転疲労（ファティーグ）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）特性

書き込みエラーを減らせる

なお、インプリントや分極反転疲労及びリーク電流は強誘電体膜内部の結晶粒界や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、分極が容易な軸の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、結晶の対称性によってその分極状態の数は限られている。

実用

世界で初めてFeRAMを実用化したのはレイコム・システムズ^{[要検証 – ノート]}である。それは256ビット品で非接触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、フォト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年に富士通のFRAMがソニーのFeliCaに採用されるなど、少なくとも日本においては、既に一般生活において身近に普及している。

その後、FeRAMの持つ「高速書き込み」と「高い書き換え耐性」が評価され、頻繁なデータロギングが求められるスマートメーターやFA産業機器への採用が拡大した。技術開発も進展しており、かつては10¹²回（1兆回）程度とされていた書き換え保証回数が10¹⁴回（100兆回）に達する製品も登場している。これにより、システム内でSRAMとバックアップ電池を組み合わせていた領域を、電池不要の単一FeRAMチップへ置き換える（バッテリーレス化）動きが進んでいる。

また、強誘電体材料の特性上、長らく微細化が難しく小容量（キロビット帯）に留まることが課題とされていたが、近年ではプロセス技術の向上により8Mビットクラスの量産化も実現している。さらにQuad SPIなどのシリアルインターフェースに対応することで54MB/秒といった高速データ転送も可能となり、大容量かつ高速なデータ処理が求められるエッジコンピューティングや高度な産業機器への適用基盤が整った。

また、長らく不揮発性メモリの課題であった高温環境下でのデータ保持（リテンション）特性も飛躍的に改善された。近年では、車載電子部品の信頼性規格「AEC-Q100」に準拠し、125℃の高温環境下において10年間のデータ保持を保証する高耐熱製品（例として、RAMXEED ULTIMATEなど）が量産されており、過酷な環境に晒される車載電装品（ADASやインフォテインメント機器など）への搭載が本格化している。

さらに、超低消費電力という特性をエナジーハーベスティング（環境発電）と組み合わせる技術も実用化されている。電池交換不要の無線センシングを実現する技術として、UHF帯RFIDの新国際規格である「ISO/IEC 18000-65」に承認・発行されたほか、スマートコンタクトレンズに代表される極小の医療・ウェアラブルデバイス向けASSPに採用されるなど、次世代のIoT・医療分野を支えるデバイスとしての応用も広がっている。

ただし、記憶容量あたりのコストや集積度の壁から、パーソナルコンピュータなどに搭載される大容量の主記憶装置（DRAMの完全な代替）としては未だに実用化の目途は立っていない。現在のところ、高速書き込み・高耐久・超低消費電力を活かした特定の産業・車載・IoT領域でのニッチトップ技術として市場を形成している。

関連項目

• ユニバーサル・メモリ
  • 強誘電体メモリ（FeRAM or FRAM）
    • 強誘電体浮遊ゲートメモリ（FFRAM）
• 法人
  • サイプレス・セミコンダクター
    • ラムトロン・インターナショナル
  • 理化学研究所
  • 富士通
    • 富士通研究所
    • 富士通セミコンダクター
    • RAMXEED（旧・富士通セミコンダクターメモリソリューション）
  • 東芝
  • ソニー
    • Felica
• 環境基準
  • 化学物質の審査及び製造等の規制に関する法律
  • TSCA
  • RoHS
  • REACH

脚注

参考資料

• 石原宏（編）『強誘電体メモリーの新展開』シーエムシー出版、2004年2月。ISBN 978-4-88231-819-4。
• ジェームズ・スコット [英語版]（著）『強誘電体メモリ 物理から応用まで』田中均洋、三浦薫、磯辺千春（訳）、シュプリンガー・フェアラーク東京、2003年11月1日。ISBN 978-4-43171-057-8。
• 塩嵜忠、宮坂洋一、望月博、崎山恵三（編）『強誘電体メモリ先端プロセス』サイエンスフォーラム、1999年9月13日。ISBN 978-4-916-16431-5。
• 塩嵜忠、阿部東彦、武田英次、津屋英樹（編）『強誘電体薄膜メモリ』サイエンスフォーラム、1995年6月。
• 高須秀視、宅間俊則（編）『FRAM ICカード技術』サイエンスフォーラム、1999年4月。
• 塩嵜忠、阿部東彦、崎山恵三（編）『強誘電体薄膜集積化技術』サイエンスフォーラム、1992年2月。
• 「FRAMとは」富士通。2014年10月1日閲覧。
• 「FRAMの品質・信頼性保証」富士通。2014年10月1日閲覧。
• “AD00-00015-4.pdf” (PDF). 富士通セミコンダクター. 2014年10月1日閲覧.
• 小柳光正（編）『次世代半導体メモリの最新技術』シーエムシー出版、2009年2月。ISBN 978-4-88231-992-4。
  • 小柳光正（編）『次世代半導体メモリの最新技術』（普及版）、シーエムシー出版、2013年9月6日。ISBN 978-4-7813-0735-0。
• 堀内かほり「次世代不揮発性メモリー 風変わりな記憶素子を使い高速・低消費電力を目指す（上）」『ITpro』日経BP。2003年10月8日閲覧。
• 堀内かほり「次世代不揮発性メモリー 風変わりな記憶素子を使い高速・低消費電力を目指す（中）」『ITpro』日経BP。2003年10月8日閲覧。
• 堀内かほり「次世代不揮発性メモリー 風変わりな記憶素子を使い高速・低消費電力を目指す（下）」『ITpro』日経BP。2003年10月9日閲覧。

外部リンク

• Cypress Semiconductor （英語）
  • Ramtron | F-RAM & Semiconductor Technology | Wireless Memory （英語） 【旧】ラムトロン・インターナショナル
• Fujitsu Global （英語）
• Toshiba : Global Top Page （英語）
• Sony Global - Sony Global Headquarters （英語）
  • FeliCaホームページ

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表 話 編 歴 半導体メモリ
リードオンリーメモリ（ROM）	マスクROM PROM EPROM UV-EPROM EEPROM
ランダムアクセスメモリ（RAM）	SRAM DRAM Z-RAM TTRAM NOR型フラッシュメモリ FeRAM FFRAM MRAM STT-RAM PCRAM ReRAM OXRAM CBRAM NRAM
揮発性メモリ（VM）	SRAM DRAM Z-RAM TTRAM
不揮発性メモリ（NVM）	PROM EAROM EPROM EEPROM フラッシュメモリ NOR型フラッシュメモリ NAND型フラッシュメモリ MONOS型メモリ SONOS型メモリ ナノクリスタルメモリ FeRAM FFRAM MRAM STT-RAM PCRAM ReRAM OXRAM CBRAM NRAM
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