🔋 FeRAM（Ferroelectric Random Access Memory）｜FeRAM: Ferroelectric RAM
📘 概要｜Overview
FeRAM（強誘電体RAM）は、不揮発性・高速性・高い書換え耐性を併せ持つ次世代メモリです。
FeRAM (Ferroelectric RAM) is a next-generation memory that combines non-volatility, high speed, and high endurance.
- 構造はDRAMと同様（1T1C）｜Same structure as DRAM: 1 Transistor + 1 Capacitor (1T1C)
- 強誘電体材料（PZT, HfO₂）でデータ保持｜Data retention using ferroelectric materials (e.g., PZT, HfO₂)
- リフレッシュ不要、不揮発性｜No refresh required, non-volatile
用途：組込み機器・アナログ混載LSI・車載制御など
Applications: Embedded systems, mixed-signal LSI, automotive control
🔧 セル構造と動作原理｜Cell Structure & Operation
WL（ワード線） ──┐
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┌──────▼──────┐
│ アクセスFET │
└──────┬──────┘
│
┌───────────────┐
│ 強誘電体キャパシタ │
└───────────────┘
│
BL（ビット線） ──┘
| 項目 | 内容（日本語） | 内容（English） |
|---|---|---|
| 書き込み | 分極方向を電圧で制御（1 or 0） | Apply voltage to set polarization (1 or 0) |
| 読み出し | 破壊読み出し＋再書き込みが必要 | Destructive read, followed by rewrite |
| キャパシタ材料 | PZT, HfO₂など | Materials such as PZT, HfO₂ |
📊 他メモリとの比較｜Comparison with Other Memories
| 特性 / Feature | FeRAM | SRAM | DRAM | Flash |
|---|---|---|---|---|
| 不揮発性 / Non-volatility | ◎ | × | × | ◎ |
| 書換耐性 / Write Endurance | ◎（10¹²回以上） | ◎ | ◎ | △（10⁴〜10⁵回） |
| 書換速度 / Write Speed | ◎（数10ns） | ◎ | ○ | ×（µs〜ms） |
| 消費電力 / Power | ◎（低） | ○ | △ | △ |
| セル面積 / Cell Area | △（1T1C） | △（6T） | ◎（1T1C） | ◎ |
| 読み出し方式 / Read Method | 破壊読み出し | 非破壊 | 非破壊 | 非破壊 |
🏭 実装と応用｜Implementation & Applications
| 分野 / Field | 特徴 / Feature | 活用例 / Example |
|---|---|---|
| 車載 / Automotive | 高信頼・温度安定性 | ECU、センサ制御 / ECU, sensor control |
| 医療 / Medical | 長寿命・低消費電力 | バイタル記録機器 / Vital sign recorders |
| 組込み / Embedded | 高速・省電力 | ファームウェア記録 / Firmware settings |
| アナログ混載 / AMS LSI | CMOS互換の不揮発性 | ADC/DAC SoC内蔵記憶 / On-chip memory for AMS |
🧪 材料技術と課題｜Materials & Scaling Challenges
| 材料 / Material | 特徴 / Feature | 備考 / Note |
|---|---|---|
| PZT | 高分極・実績豊富（Pb含む） | CMOS互換性に課題 / Pb issue |
| HfO₂ | CMOS互換・微細化対応 | FinFET対応、28nm以下対応可 |
課題 / Issues:
- 🔄 破壊読み出し → リライト頻度増による劣化
Destructive readout leads to wear due to rewrite - 🔉 セル間干渉・読み出しノイズ
Crosstalk and read noise - 🎯 センスアンプの感度が重要
Sense amplifier precision is critical
🧑🏫 教材的視点｜Educational Notes
- DRAMと構造類似 → 発展型メモリの位置づけ
Same structure as DRAM → Advanced memory architecture - 破壊読み出し → 信頼性設計の重要性
Destructive read → Importance of reliability-aware design - アナログLSIとの組み合わせ → 混載回路提案に展開可能
Use with analog LSI → Extensible to mixed-signal applications
🔗 詳細プロセスフロー / Detailed Process Flow
FeRAMのプロセス実装に関心がある方は、以下の教材をご参照ください：
📘 0.18μm FeRAM構想プロセスフロー（構造・条件・膜厚付き）
👉 0.18um_FeRAM_ProcessFlow.md
- Pt/PZT/Ti構造による強誘電体キャパシタ形成工程を含む
- AlOx保護膜、Wプラグ、Coサリサイドなどを網羅
- 教育目的の構想プロセスとして三溝真一により設計
📘 X線回折の原理とFeRAM/PZT応用（XRD教材）
👉 xrd_principle_and_application.md
- 結晶構造、配向性、FWHM、シュラーの式、測定モード、装置構成などを網羅した基礎解説
- FeRAMキャパシタの(111)配向確認や結晶性評価に直結する教材
📘 FeRAM / 薄膜ピエゾ特性評価原理（ヒステリシス・変位・DBLI測定）
👉 feram_piezo_evaluation_principles.md
- FeRAMのヒステリシスループ（Pm, Pr, Vc）とPUND法の原理解説
- PZTアクチュエータのバタフライカーブ、DBLIによる変位評価手法を収録
💡 メモリ用途とアクチュエータ用途に共通するPZT特性の理解に役立ちます。
📘 HfZrO₂系強誘電体の水素工程適合性とFeFET動向
👉 hfo2_h2_compat.md
- HfZrO₂の水素還元耐性と、CMOS準拠420 °C水素アニールへの対応性を解説
- PZTとの違い、FeFETとの比較、BEOLプロセス統合の実用性に言及
- FeRAMから次世代FeFETへの材料・構造進化の理解に有用
🔗 関連リンク｜Related Links
- mram.md：他の不揮発メモリとの比較
Comparison with MRAM and other nonvolatile memories - chapter4：MOS構造と誘電体互換性
MOS structure and dielectric compatibility - d_chapter5_analog_mixed_signal：AMSと不揮発メモリ活用
Mixed-signal circuits and FeRAM use
🏘 応用編 第1章：メモリ技術｜Applied Chapter 1: Memory Technologies
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