強誘電体メモリとは

THEME 08 デバイスと回路 · メモリFerroelectric Memory

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強誘電体メモリとは、電圧を0へ落としても分極が2つの向きのどちらかで保たれる材料を使い、その向きを1ビットとして記憶するメモリです。 電源を切ってもデータが保たれます。DRAMは電荷が抜けるので定期的に書き直し、フラッシュは電荷を厚い膜の向こうへ閉じ込めるので、書き込みに高い電圧と時間が要ります。分極の向きを反転させるだけなら、低い電圧で速く、しかも桁違いに多く書き換えられます。imecは、複雑な材料などが課題だったこのメモリ方式への関心を、CMOSでおなじみのHfO2に強誘電相が見つかったことが呼び戻したとしています。

電圧を0へ落としても、分極は2つの向きで残る

ヒステリシスと残留分極

分極は印加電圧に対してヒステリシスを描き、電圧を0へ落としても直前に振った向きに応じて+Prか−Prのどちらかに残ります。

強誘電体の分極は、印加電圧に対してヒステリシスを描きます。電圧を0へ落としても分極は0へ帰らず、直前にどちらへ振ったかで2つの値のどちらかに落ち着きます。この残留分極が、そのままビットの値です。

層を薄くすると動作電圧は下がりますが、分極の大きさも耐久も落ちやすくなります。imecは2026年6月、強誘電体キャパシタについて、強誘電体層のスケーリングで約1.3Vの低電圧動作を実現しながら、残留分極40μC/cm²超と耐久10^13サイクル以上を保ったとしています¹。同社はこの3つをDRAMに近いメモリ用途の主要な要件に位置づけていて、3つを同時に満たした点がこの報告の要です。

PZTでは、分極の向きは結晶中心の陽イオンの位置で決まる

PZT結晶の2つの安定状態

中心の陽イオンにはエネルギーの等しい安定な位置が2つあり、電界を適切な向きに掛けると電界の向きへ移ります。この位置が分極の向きです。

強誘電性は、チタン酸ジルコン酸鉛（PZT）などの材料に見られる性質です²。Infineonの技術資料は、結晶の中心にある陽イオンにエネルギーが等しく低い安定状態が2つあり、その状態が陽イオンの位置を決めると説明しています。電界を適切な向きに掛けると陽イオンは電界の向きへ動き、この移動でスイッチ電荷Qsと呼ばれる電荷が生じます。

強誘電体は電界で反転し、磁界の影響を受けません。磁化の向きで記憶するMRAMとは、記憶を担う物理量が違います。

キャパシタ型は、反転したときだけ出る電荷で読む

キャパシタ型セルの読み出し

セルは強誘電体キャパシタにアクセストランジスタ、ビット線、プレート線を組み合わせます。読み出しで電界を掛けたとき、分極が反転すればスイッチ電荷Qsが上乗せされるので、その差で値を見分けます。

キャパシタ型の基本の記憶素子は、上下の電極で強誘電体を挟んだ強誘電体キャパシタです²。電界を掛けて分極を上向きか下向きにそろえて書き込み、キャパシタにアクセストランジスタ、ビット線、プレート線を組み合わせてメモリセルにします。

読み出しでは電界を掛けて、分極が反転するかどうかを電流として測ります。電界を掛けても反転しないキャパシタは線形キャパシタとしてふるまい、反転すると余分な電荷が誘起されるので、容量は大きくなります。誘起された電荷Qsは、ビット線の寄生容量Cbitと反転したキャパシタCsで分け合われます。このように反転するかどうかを測るので、読んだ時点で分極が壊れ、読み出しのたびに書き直す動作が要ります。

FET型は、ゲート絶縁膜を強誘電体にした構造です。分極の向きがしきい値電圧を動かすので、ゲート電圧を掛けて電流を測るだけで読め、分極はそのまま保たれます。imecは、酸化物半導体ベースのFeFETを高密度メモリ向けの候補に数えています。積層のしやすさと、読み出しでも分極が保たれる点が理由です。

HfO2に強誘電相が見つかり、強誘電体メモリは候補に戻った

強誘電体メモリには実用の壁がありました。imecは、複雑な材料、界面層の絶縁破壊、悪い保持特性が大きな課題だったとし³、よく知られた簡素な材料であるHfO2に強誘電相が見つかったことで、このメモリ方式への関心が再び高まったとしています。

主流はハフニウム系の酸化物です。HZOの膜厚を10nmへ最適化して、2Prで14.7μC/cm²⁴を得た報告があります。HZOはハフニウムとジルコニウムの酸化物で、CMOSの製造ラインで既に使われている材料系から来ています。既存のhigh-k膜と材料系が近いため、新しい装置や新しい汚染管理を持ち込まずに済みます。強誘電体メモリが再び候補へ上がった理由の1つがここにあります。

密度は積層で稼ぎ、低温プロセスがその前提になる

imecは、5ワード線の垂直積層FeFETメモリセルを初めて機能する形で実証し、素子を上へ積み重ねて記憶密度を上げたとしています¹。バックゲートを加えたデュアルゲート構成が、FeFETの課題だった消去の効率を上げるとしています。

HZO-IGZOのFeFETでは、プロセス温度を250℃未満に収めてポリイミド基板へ作り込み⁴、3D集積とフレキシブル構造への適合が示されています。低い温度で作れることが、積層の前提になります。

得るのは書き換えの速さと回数、払うのは膜質管理と読み出しの手間

強誘電体メモリで得られるのは、低い電圧での書き換えと、桁違いに多い書き換え回数、そして電源を切っても保たれるデータです。差し出すのは、分極を保つ膜質の管理と、キャパシタ型なら読み出しのたびの書き直し、FET型なら消去の効率です。

保持側の故障モードとして、インプリントがあります。Texas Instrumentsは、メモリセルが高温に長くさらされると一方の論理状態のデータが強まる効果があり、これをインプリントと呼ぶとしています⁵。分極が特定の状態に安定してしまう現象です。メモリ担当は、動作電圧と残留分極と耐久を同じ表へ載せて選定します。

よくある質問（FAQ）

強誘電体メモリとは何ですか？

電圧を0へ落としても分極が2つの向きのどちらかで保たれる材料を使い、その向きを1ビットとして記憶するメモリです。電源を切ってもデータが保たれ、磁界の影響も受けません。

残留分極とは何ですか？

印加電圧を0へ落としたときに残る分極の大きさです。imecは2026年6月、強誘電体層のスケーリングで約1.3V動作と残留分極40μC/cm²超を両立したとしています。

耐久はどのくらいですか？

imecの報告では10^13サイクル以上で、同社はDRAMに近い用途の主要な要件に挙げています。書き換え回数の面では、フラッシュ系より数桁高い水準です。

キャパシタ型とFET型の差は何ですか？

読み出しの後始末です。キャパシタ型は分極が反転したときだけ出る電荷で値を読むので、読み出しで分極が壊れて書き直す動作が要ります。FET型は分極がしきい値電圧を動かす形なので、電流を測るだけで読めます。

どんな材料を使いますか？

強誘電性はチタン酸ジルコン酸鉛（PZT）などの材料に見られる性質で、現在はハフニウム系の酸化物が主流です。HZOの膜厚を10nmへ最適化して、2Prで14.7μC/cm²を得た報告があります。

DRAMと何が違いますか？

DRAMはキャパシタへ溜めた電荷が時間とともに抜けるため、定期的な書き直しが要ります。強誘電体メモリは分極の向きで記憶するため、電源を切っても保たれます。

どこまで積めますか？

imecは2026年6月、5ワード線の垂直積層FeFETメモリセルを初めて機能する形で実証したとしています。

比較・違いを学ぶ

FeFET（強誘電体FET）とは── 読み出しで分極が保たれる側
MRAMとは── 磁化の向きで同じことをする側

出典

5件を表示

1
Imec achieves breakthroughs in ferroelectric memory research for next-generation memory solutions（2026年6月）imec-int.com a b
2
Infineon：F-RAM Technology Briefcommunity.infineon.com a b
3
Imec demonstrates breakthrough in CMOS-compatible ferroelectric memoryimec-int.com ↩
4
Advanced Science：Low-Temperature Nanosecond Laser Process of HZO-IGZO FeFETs toward Monolithic 3D System on Chip Integration（2024年）pmc.ncbi.nlm.nih.gov a b
5
Texas Instruments：アプリケーションノート SLAA526A（FRAMのインプリント）ti.com ↩