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強誘電体RAM（FeRAM、F-RAM、またはFRAM）は、 DRAMと同様の構造を持つランダムアクセスメモリですが、不揮発性を実現するために誘電体層の代わりに強誘電体層を使用しています。 [ 1 ] [ 2 ] FeRAMは、フラッシュメモリと同じ機能を提供する代替不揮発性ランダムアクセスメモリ技術です。[ 3 ] FeRAMチップには、強誘電体材料の薄膜が含まれており、多くの場合、チタン酸ジルコン酸鉛（一般的にPZTと呼ばれる）が使用されます。[ 4 ] PZT層の原子は電界で極性が変化するため、電力効率の良いバイナリスイッチが生成されます。しかし、PZTの最も重要な側面は、電源の中断や磁気干渉の影響を受けないことであり、これによりFeRAMは信頼性の高い不揮発性メモリとなります。[ 5 ]
FeRAMのFlashに対する利点としては、消費電力の低減、書き込み速度の高速化[ 6 ]、および読み書きの最大耐久性の大幅な向上（約10¹⁰～10¹⁵サイクル）が挙げられます。[ 7 ] [ 8 ] FeRAMは+85 ℃で10年以上（低温では数十年）のデータ保持時間を有します。 [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] FeRAMの主な欠点は、Flashデバイスに比べて記憶密度がはるかに低いこと、記憶容量に制限があること、およびコストが高いことです。DRAMと同様に、FeRAMの読み出しプロセスは破壊的であるため、読み出し後に書き込みを行うアーキテクチャが必要となります。[ 1 ] [ 2 ]
強誘電体RAMは、MITの大学院生ダドリー・アレン・バックが1952年に発表した修士論文「デジタル情報ストレージとスイッチングのための強誘電体」の中で提案された。 [ 12 ]
1955年、ベル電話研究所は強誘電体結晶メモリの実験を行っていた。[ 13 ] 1970年代初頭に金属酸化物半導体（MOS）ダイナミックランダムアクセスメモリ（DRAM ）チップが導入された後、 [ 14 ] 1980年代後半にFeRAMの開発が始まった。1991年にはNASAのジェット推進研究所（JPL）で、UV照射パルスを用いた非破壊読み出しという新しい方法を含む読み出し方法の改善に関する研究が行われた。[ 15 ]
FeRAMは1990年代半ばに商用化されました。1994年、ビデオゲーム会社のセガは、その年に数百万本のゲームカートリッジを出荷したソニック・ザ・ヘッジホッグ3でセーブゲームを保存するためにFeRAMチップを使用しました。 [ 16 ] 1996年、サムスン電子はNMOSロジックを使用して製造された4Mb FeRAMチップを発表しました。[ 17 ] 1998年、現代電子（現在のSKハイニックス）もFeRAM技術を商用化しました。[ 18 ] FeRAMを使用した最も初期の商用製品は、2000年に発売されたソニーのPlayStation 2メモリーカード（8MB ）です。 [ 19 ]東芝が製造したメモリーカードのマイクロコントローラ（MCU）には、 500nm相補型MOS （CMOS）プロセスを使用して製造された32kb（4kB）の組み込みFeRAMが含まれていました。[ 17 ]
1999年、富士通はラムトロン向けにFeRAMを組み込んだ専用チップ（スマートカード用チップなど）だけでなく、スタンドアロンFeRAMの製造も開始した。[ 20 ] 2010年、ラムトロンはテキサス・インスツルメンツとIBMに切り替えた。
2024年から2025年にかけて、強誘電体RAMの研究は、CMOSとの互換性、10nm未満へのスケーラビリティ、 および先端ノード（22～ 28nm）への統合を目的としたHfO₂ベースの材料によって推進されました。サイクル数は10¹²を超え、消費電力も削減されました。
試作機では、9～16メガバイトのアレイ、10¹²の耐久性、5～7ナノ秒の読み書き速度が実現されていた。
Ramtronはファブレス半導体企業です。主要なライセンシーの1つは富士通で、FeRAM機能を備えた最大規模の半導体ファウンドリ生産ラインの1つを運営しています。2012年にRamtronはCypress Semiconductorに買収されました。[ 21 ]
FeRAMの研究プロジェクトは、サムスン、松下電器産業、沖電気工業、東芝、インフィニオン、ハイニックス、シメトリックス、ケンブリッジ大学、トロント大学、および大学間マイクロエレクトロニクスセンター（IMEC、ベルギー）で報告されている。
従来のDRAMは、小さなコンデンサのグリッドと、それに関連する配線および信号トランジスタで構成されています。各記憶素子（セル）は、1つのコンデンサと1つのトランジスタで構成されており、いわゆる「1T-1C」デバイスです。[ 22 ]
FeRAMの1T-1Cストレージセル設計は、どちらのセルタイプも1つのコンデンサと1つのアクセストランジスタを含むという点で、DRAMのストレージセルと構造が似ています。[ 23 ] [ 24 ] DRAMセルコンデンサでは線形誘電体が使用されますが、FeRAMセルコンデンサでは誘電体構造に強誘電体材料、典型的にはチタン酸ジルコン酸鉛（PZT）が含まれます。[ 22 ]
強誘電体は、印加された電場と見かけ上蓄積された電荷との間に非線形な関係を持ちます。[ 25 ]具体的には、強誘電体の特性はヒステリシスループの形をしており、これは強磁性体のヒステリシスループと形状が非常によく似ています。[ 26 ]強誘電体の誘電率は、強誘電体の結晶構造に形成される半永久的な電気双極子の影響により、一般的に線形誘電体の誘電率よりもはるかに高くなります。外部電場が誘電体に印加されると、原子の位置のわずかなずれと結晶構造内の電子電荷の分布のずれによって、双極子は電場の方向に整列する傾向があります。[ 26 ]電荷が除去された後も、双極子は分極状態を保持します。各データ記憶セルには、バイナリの「0」と「1」が2つの可能な電気分極のいずれかとして格納されます[ 27 ] 2021 2027 グローバルおよび地域フェロ誘電体RAM産業の現状と展望プロフェッショナル市場 – Market Reports World。
動作の観点から見ると、FeRAM は DRAM と似ています。書き込みは、強誘電体層の両側のプレートを充電して強誘電体層全体に電界を印加し、内部の原子を (電荷の極性に応じて)「上」または「下」の方向に強制することで行われ、それによって「1」または「0」が保存されます。DRAM (ダイナミックランダムアクセスメモリ) の概要 - 技術記事。読み出し動作も DRAM と似ています。強誘電体 RAM: FRAM テクノロジーの動作 » 電子ノート。トランジスタはセルを特定の状態、たとえば「0」に強制します。セルがすでに「0」を保持していた場合、出力ラインでは何も起こりません。[ 1 ]セルが「1」を保持していた場合、フィルム内の原子の再配向により、「下」側の金属から電子が押し出されるため、出力に短い電流パルスが発生します。強誘電体 RAM: FRAM テクノロジーの動作 » 電子ノート。このパルスの存在は、セルが「1」を保持していたことを意味します。このプロセスはセルを上書きするため、FeRAMの読み出しは破壊的なプロセスであり、セルを書き換える必要があります。[ 1 ] [ 28 ]
一般的に、FeRAMの動作は、1960年代の主要なコンピュータメモリの形態の1つであるフェライトコアメモリに似ています（コンピュータメモリ技術：フェライトリングからFRAMへ）。ただし、コアメモリと比較すると、FeRAMは極性の状態を反転させるのに必要な電力がはるかに少なく、また、はるかに高速です。
メモリシステムのコストを決定する主な要因は、それを構成する部品の密度です。部品が小さく、数が少ないほど、1つのチップ上に多くのセルを詰め込むことができ、その結果、1枚のシリコンウェハから一度に多くの製品を生産できます。[ 2 ]これにより歩留まりが向上し、コストに直接関係します。[ 29 ]
このスケーリングプロセスの下限は、重要な比較ポイントです。一般的に、最小のセルサイズまでスケーリングする技術は、ビットあたりのコストが最も低くなります。構造的には、FeRAMとDRAMは類似しており、一般的に同様のラインで同様のサイズで構築できます。[ 30 ] [ 2 ]どちらの場合も、下限はセンスアンプをトリガーするために必要な電荷量によって決まるようです。DRAMの場合、これは約55 nmで問題となるようで 、その時点ではコンデンサに蓄積された電荷が小さすぎて検出できません。[ 31 ]
サイズに関するもう一つの制約は、材料が小さすぎると強誘電性を失う傾向があることです。[ 32 ] [ 33 ]（この効果は強誘電体の「脱分極場」に関連しています。）強誘電性材料の安定化の問題に取り組む研究が進行中です。たとえば、分子吸着物を使用するアプローチがあります。[ 32 ]
FeRAMがDRAMよりも優れている主な利点は、読み出しサイクルと書き込みサイクルの間に何が起こるかです。 [ 34 ] DRAMでは、金属プレートに蓄積された電荷が絶縁層と制御トランジスタを横切って漏れ、消滅します。DRAMが非常に短い時間以外データを保存するためには、すべてのセルを定期的に読み出して書き直す必要があり、このプロセスはリフレッシュと呼ばれます。各セルは毎秒何度もリフレッシュする必要があり（通常は毎秒16回[ 35 ]）、これには継続的な電力供給が必要です。対照的に、FeRAMはセルを実際に読み書きするときにのみ電力を必要とします。FRAMはMCUベースのシステムで消費電力を削減し、パフォーマンスを向上させることができます。
もう1つの不揮発性メモリタイプはフラッシュメモリで、FeRAMと同様にリフレッシュプロセスは不要です。[ 26 ]フラッシュメモリは、高品質の絶縁バリアを介して電子を押し出し、トランジスタの一方の端子に「固定」することで動作します。このプロセスには高電圧が必要で、これはチャージポンプで時間をかけて蓄積されます。つまり、FeRAMの書き込み電力は読み出し電力よりもわずかに高いだけなので、少なくとも書き込みに関しては、FeRAMはフラッシュメモリよりも低消費電力になると予想されます。FRAM - Texas InstrumentsのスマートICメモリ。「主に読み出し」デバイスではその差はわずかかもしれませんが、読み出しと書き込みのバランスが取れたデバイスではその差ははるかに大きくなると予想されます。[ 34 ]
F-RAMでは、 MRAMと比較して、高磁場環境下でもデータの信頼性が保証されています。Cypress Semiconductorの[ 36 ] F-RAMデバイスは、強力な磁場に耐性があり、利用可能な最大磁場強度（水平挿入で3,700ガウス、垂直挿入で2,000ガウス）でも故障は発生しません。FRAM - Texas InstrumentsのスマートICメモリ。さらに、F-RAMデバイスは、磁場にさらされた後でも、異なるデータパターンで書き換えることができます。[ 29 ]
DRAMの速度は、セルに蓄積された電荷を放電（読み出し）または蓄積（書き込み）できる速度によって制限されます。[ 34 ]一般的に、これは制御トランジスタの能力、セルに電力を供給するラインの容量、および電力によって発生する熱によって決まります。[ 27 ]
FeRAMは、外部電場に反応する原子の物理的な動きに基づいており、その速度は平均約1ナノ秒と非常に速い。[ 34 ]理論的には、これはFeRAMがDRAMよりもはるかに高速になる可能性があることを意味する。しかし、読み書きのためにセルに電力を流す必要があるため、[ 37 ]電気的遅延とスイッチング遅延は全体的にDRAMと似ていると思われる。DRAMは電荷を保持する必要があるのに対し、FeRAMは電荷が放電される前に書き込みが行われるため、FeRAMはDRAMよりも少ない電荷で済むと考えるのは妥当と思われる。[ 29 ]ただし、電荷が制御トランジスタを通過する必要があるため、書き込みに遅延があり、電流がいくらか制限される。強誘電体メモリ：中間的な位置。
フラッシュと比較すると、その利点ははるかに明白です。[ 24 ]読み出し動作の速度は同程度である可能性が高いですが、書き込みに使用されるチャージポンプは電流を「蓄積」するのにかなりの時間を要し、FeRAMではこのプロセスは不要です。[ 30 ]フラッシュメモリでは書き込みを完了するのに通常1ミリ秒以上かかりますが、現在のFeRAMでは150ナノ秒未満で書き込みを完了できます。[ 38 ]
一方、FeRAMには、インプリントや疲労などの信頼性の問題があります。[ 2 ] [ 39 ]インプリントとは、以前の書き込みによる優先分極状態のことで、疲労とは、繰り返し書き込みを行った後の分極の喪失により、最小書き込み電圧が上昇することです。[ 24 ]
FeRAMの理論上の速度は完全には明らかではありません。既存の350nm デバイスの読み出し時間は50～60ns程度です。読み出し時間が20ns程度の最新のDRAMと比較すると遅いものの、一般的な350nm DRAMの読み出し時間は約35nsであるため[ 40 ] 、同じ製造技術であればFeRAMの速度は同程度であると考えられます。
FeRAMは半導体市場全体のごく一部に過ぎない。 2005年の世界の半導体売上高は2350億米ドル（Gartner Group調べ）で、フラッシュメモリ市場は186億米ドル（IC Insights調べ）を占めた。[ 47 ]おそらく最大のFeRAMベンダーであるRamtronの2005年の年間売上高は3270万米ドルと報告されている。代替のNVRAMと比較してフラッシュメモリの売上高がはるかに大きいため、研究開発努力もはるかに大きくなっている。フラッシュメモリは Samsungで30 nmの半導体線幅を使用して製造されている（2007年）が、FeRAMは 富士通で350 nm、 テキサス・インスツルメンツで130 nmの線幅で製造されている（2007年）。FRAM （強誘電体RAM）の概要とその歴史。フラッシュメモリセルは、セルあたり複数のビット（現在、最も高密度のNANDフラッシュデバイスでは4ビット）を保存でき、フラッシュセル設計の革新により、フラッシュセルあたりのビット数は8ビットに増加すると予測されています。NANDフラッシュメモリガイド：SLC、MLC、TLC、QLCの比較。その結果、フラッシュメモリの面積ビット密度はFeRAMよりもはるかに高く、したがってフラッシュメモリのビットあたりのコストはFeRAMのそれよりも桁違いに低くなります。[ 37 ]
FeRAMアレイの密度は、セルフットプリントの面積を縮小するための垂直キャパシタ構造の開発（DRAMと同様）など、FeRAMファウンドリプロセス技術とセル構造の改善によって増加する可能性がある。ただし、セルサイズを小さくすると、データ信号が弱くなりすぎて検出できなくなる可能性がある。[ 37 ] 2005年、ラムトロンは、電力メーター[ 48 ] 、自動車（ブラックボックス、スマートエアバッグなど）、事務機器（プリンター、RAIDディスクコントローラなど）、計測機器、医療機器、産業用マイクロコントローラ、無線周波数識別タグなど、さまざまな分野でFeRAM製品が大量に売れたと報告した。MRAMなどの他の新興NVRAMは、FeRAMと競合する同様のニッチ市場への参入を目指す可能性がある。[ 49 ]
テキサス・インスツルメンツは、従来のCMOS半導体製造中に2つの追加のマスク工程[ 50 ]を使用してFeRAMセルを埋め込むことが可能であることを実証しました。フラッシュメモリは通常9つのマスクを必要とします。これにより、例えば、プロセスを簡素化することでコストを削減できるマイクロコントローラへのFeRAMの統合が可能になります。ただし、FeRAMの製造に使用される材料は、CMOS集積回路製造では一般的に使用されていません。PZT強誘電体層と電極に使用される貴金属の両方が、CMOSプロセスとの互換性と汚染の問題を引き起こします。テキサス・インスツルメンツは、新しいFRAMシリーズのMSP430マイクロコントローラにFRAMメモリを組み込んでいます。 [ 51 ]
2021年時点では、さまざまなベンダーがストレージサイズ（密度）が16Mb以下のメモリを搭載したチップを販売していた。[ 52 ]
性強誘電体RAM（FRAM）のこれまでで最大の使用量で、ビデオゲームメーカーのセガは、セッション間でゲームを保存するためにラムトロンインターナショナル社のFRAMを組み込んだ新作ゲーム「ソニック・ザ・ヘッジホッグIII」を数百万本出荷した。
FRAMは最低10,000,000,000回の書き込みサイクルが保証されています。
ビットMSP430マイクロコントローラ（MCU）ファミリは、多くのアプリケーション向けに手頃な価格のソリューションを提供します。…現在、不揮発性メモリ（NVM）の種類に基づいて、フラッシュファミリとFRAMファミリの2つの主要なシリーズがあります。FRAM MCUは消費電力が少なく、フラッシュとRAMの特性を兼ね備えています。…FRAMシリーズには、MSP430FR2xx、MSP430FR4xx、MSP430FR5xx、およびMSP430FR6xxが含まれます。