強誘電体トランジスタで多値メモリを実現する（前編）：福田昭のストレージ通信（78） 強誘電体メモリの再発見（22）

　ここで二酸化ハフニウム薄膜の寸法を10nm角くらいにまで、一気に縮小することを考えよう。すると、薄膜内部におけるドメインの数は数個、場合によっては1個になる。仮に1個のドメインになった場合、これを「単一ドメイン（シングルドメイン）」と呼ぶ。

　次に、二酸化ハフニウム薄膜の形状を長方形にすることを考える。長方形の寸法は、強誘電体トランジスタのゲート電極と同じである。つまり、長方形のゲート電極を有する強誘電体トランジスタを作る。ここで重要なのは、寸法である。ゲート長が20nm程度、ゲート幅が80nm程度の微小なゲート電極を考える。二酸化ハフニウム強誘電体薄膜も、同じ寸法になる。

　ここで二酸化ハフニウム強誘電体薄膜が、3つの分極ドメインを有していると仮定しよう。ドメインA、ドメインB、ドメインCである。ゲート電極の長辺方向に、直方体のドメインが3つ、並んでいる。3つの分極ドメインは、シリコン表面に対して上方向か、あるいは下方向に分極する。

　3つのドメインで分極の向きがすべてそろっており、分極反転のときも同様であれば、これまで説明してきた強誘電体トランジスタと同様に、1ビットのデータを記憶する1個の不揮発性メモリセルが完成する。

強誘電体薄膜を数個の分極ドメインで形成

　ところが厳密には、3つのドメインが分極反転を起こすゲート電圧は、同じではない。微妙に違う。そこで分極反転を起こすゲート電圧を精密に制御すると原理的には、ドメインA、ドメインB、ドメインCの分極反転を個別に、制御できるようになる。

3つの分極ドメインを有する強誘電体トランジスタで2ビット/セルの多値メモリセルを実現。左上は強誘電体トランジスタの構造図。細長い強誘電体薄膜に、3つの分極ドメインを形成した。右下は、ゲート電圧の変化によるしきい電圧の変化のグラフと、ドメインにおける分極反転。しきい電圧を階段状に、4段階に変化させることができた （クリックで拡大） 出典：NaMLabおよび、ドレスデン工科大学

　例えば初期状態が、すべてのドメインが上向きに分極しているとしよう。強誘電体トランジスタのしきい電圧は、高い状態にある。このしきい電圧をVtaとしよう。ここでゲート電圧をわずかずつ変化させていくと、最初に1個のドメインだけで分極反転が起こる。すなわち、強誘電体トランジスタのしきい電圧が下がる。このしきい電圧をVtbとしよう。

　さらにゲート電圧を少しずつ変化させていくと、もう1個のドメインで分極反転が起こる。しきい電圧がまた少し下がる。このしきい電圧をVtcとしよう。

　さらにゲート電圧をわずかずつ変化させていくと、残る最後のドメインで分極反転が起こる。つまり、3つのドメインすべてで分極が反転したことになる。しきい電圧はさらに下がる。このしきい電圧をVtdとしよう。

　このようにして、しきい電圧が異なる4つの状態を、トランジスタに作り出せるようになる。これは、1個のトランジスタに2ビットのデータを記憶できるという意味である。フラッシュメモリのマルチレベルセル（MLC）と、基本的には変わらない。

　研究室レベルでは、2016年に3つの分極ドメインを備えているとみられる、二酸化ハフニウム強誘電体トランジスタが試作発表されている。ゲート電圧（プログラム電圧）を2Vから5Vの範囲で細かく変化させることで、しきい電圧をプラス0.5Vからマイナス0.75Vの間で4段階に階段状に変化させた。

（後編に続く）

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