高性能なNANDフラッシュメモリーアレイ

NANDフラッシュメモリーの課題

　パソコンやサーバーのハードディスクドライブに代わる大容量データ記憶装置として、より小型軽量で低消費電力のソリッドステートドライブ（SSD）^＊が注目されています。しかしSSDの基本部品である半導体不揮発メモリーのNANDフラッシュメモリーは、書き換え可能回数が約1万回と少なく、情報処理量の多いデータセンターのサーバーに用いるには書き換え可能回数をより多くすることが望ましいと考えられています。また、集積度を高めるために今後もNANDフラッシュメモリーセルの寸法を縮小し続ければ、書き換え可能回数はさらに減少してデータの信頼性に不安が生じると言われています。このため、書き換え耐性がより高く、メモリーセルの寸法縮小も可能な、次世代半導体不揮発メモリーの開発が必要です。

Fe−NANDフラッシュメモリーアレイの作製

　私たちは、強誘電体ゲート電界効果トランジスタ（FeFET）をメモリーセルとして用いる強誘電体NANDフラッシュメモリー（Fe−NANDフラッシュメモリー）に注目し、FeFETの集積化技術により、初めて全ビット測定が可能な64キロビット（kb）Fe−NANDフラッシュメモリーアレイの作製に成功しました（図1）。

図1　今回作製したチップの全体写真（左）とチップの右下隅を拡大した光学顕微鏡写真（右）

　この64 kb Fe−NANDフラッシュメモリーアレイを用いて、ブロック消去、ページ書き込み、データ非破壊読み出しを行い64 kbのすべてのメモリーセルにアクセスできることを確認しました。さらに、全ビットの消去と書き込み、市松模様状書き込みの3通りのパターンを書き込み、これらの読み出しに成功しました。また、ブロックレベル（2 kb）で2日間の測定による良好なデータ保持特性（図2）のほか、セルレベルでは1億回書き換え可能であることも確認しました。

　将来的には、Fe−NANDフラッシュメモリーのデータ書き込み時のビット線電圧は1 V、ワード線電圧は6 Vまで下げることができ、これまでのNANDフラッシュメモリーと比べて消費電力は約7分の1になると見込まれます。

図2　ある1ブロックにおける1分後、1日後、2日後のしきい値分布（a）と2日間の測定によるデータ保持特性（b） E ：ブロック消去後、P ：全ビット書き込み後

今後の予定

　今後はFe−NANDフラッシュメモリーセルの微細化を進め、シリコンデバイスにおける目安のサイズの一つであるゲート長0.18 µmを達成し、その後、さらに小さいゲート長0.05 µmのFe−NANDフラッシュメモリーを数年以内の実用化を目指します。低消費電力で1億回の書き換え可能回数をもつ特性を活かし、データセンター向けSSDを最初の実用化のターゲットとしたいと考えています。