Jpn. J. Appl. Phys. 49 (2010) 100001 (14 pages)  |Next Article|  |Table of Contents|
|Full Text PDF: FREE (2150K)|

Comprehensive Review

Current Status of Nonvolatile Semiconductor Memory Technology

Yoshihisa Fujisaki

Central Research Laboratory, Hitachi, Ltd., Kokubunji, Tokyo 185-8601, Japan

(Received March 24, 2010; accepted May 1, 2010; published online October 20, 2010)

In this report, an overview of the current status of nonvolatile semiconductor memory technology is presented. We are reaching the integration limit of flash memories, and many new types of memories to replace conventional flash memories have been proposed. Unlike flash memories, new nonvolatile memories do not require electric charge storing. The possibility of phase-change random access memory (PRAM) or resistive-change RAM (ReRAM) replacing ultrahigh-density NAND flash memories has been discussed; however, there are many issues to overcome, making the replacement difficult. Nonetheless, ferroelectric RAMs (FeRAMs) and MRAMs are gradually penetrating into fields where the shortcomings of flash memories, such as high operating voltage, slow rewriting speed, and limited number of rewrites, make their use inconvenient. For the successful application of new nonvolatile semiconductor memories, they must be practically utilized in new fields in which flash memories are not applicable, and the technology for them must be developed.

URL: http://jjap.jsap.jp/link?JJAP/49/100001/
DOI: 10.1143/JJAP.49.100001


|Full Text PDF: FREE (2150K)|  Citation:


References | Citing Articles (18)

  1. International Technology Roadmap for Semiconductors, 2007 Edition, Emerging Research Devices, p. 7 [Table ERD3].
  2. K. Kim, J. H. Choi, J. Choi, and H.-S. Jeong: Proc. Int. Symp. VLSI Technology, 2005, p. 88.
  3. A. Fazio: MRS Bull. 29 (2004) 814.
  4. H. Tanaka, M. Kido, K. Yahashi, M. Oomura, R. Katsumata, M. Kito, Y. Fukuzumi, M. Sato, Y. Nagata, Y. Matsuoka, Y. Iwata, H. Aochi, and A. Nitayama: Proc. Int. Symp. VLSI Technology, 2007, p. 14.
  5. N. Shibata, H. Maejima, K. Isobe, K. Iwasa, M. Nakagawa, M. Fujiu, T. Shimizu, M. Honma, S. Hoshi, T. Kawaai, K. Kanebako, S. Yoshikawa, H. Tabata, A. Inoue, T. Takahashi, T. Shano, Y. Komatsu, K. Nagaba, M. Kosakai, N. Motohashi, K. Kanazawa, K. Imamiya, and H. Nakai: Proc. Int. Symp. VLSI Circuits, 2007, p. 190.
  6. H. M. White, D. A. Adams, and J. Bu: IEEE Circuits Devices Mag. 16 (2000) 22.
  7. B. Eitan, P. Pavan, I. Bloom, E. Aloni, A. Frommer, and D. Finzi: IEEE Electron Device Lett. 21 (2000) 543[CrossRef].
  8. T. M. Kowalick: Vehicular Technology Conf., 2001, Vol. 4, p. 3037.
  9. Y. M. Kang, H. J. Joo, J. H. Park, S. K. Kang, J.-H. Kim, S. G. Oh, H. S. Kim, Y. J. Kang, J. Y. Jung, D. Y. Choi, E. S. Lee, S. Y. Lee, H. S. Jeong, and K. Kim: Proc. Int. Symp. VLSI Technology, 2006, p. 124.
  10. T. Nakamura, Y. Nakao, A. Kamisawa, and H. Takasu: Appl. Phys. Lett. 65 (1994) 1522[AIP Scitation].
  11. M. Tajiri and H. Nozawa: Jpn. J. Appl. Phys. 40 (2001) 5590[JSAP].
  12. C. A. Araujo, J. D. Cuchiaro, L. D. McMillan, M. C. Scott, and J. F. Scott: Nature 374 (1995) 627[CrossRef].
  13. B. H. Park, B. S. Kang, S. D. Bu, T. W. Noh, J. Lee, and W. Jo: Nature 401 (1999) 63[CrossRef].
  14. Y. Fujisaki, K. Iseki, and H. Ishiwara: Jpn. J. Appl. Phys. 42 (2003) L267[JSAP].
  15. J. Wang, J. B. Neaton, H. Zheng, V. Nagarajan, S. B. Ogale, B. Liu, D. Viehland, V. Vaithyanathan, D. G. Schlom, U. V. Waghmare, N. A. Spaldin, K. M. Rabe, M. Wuttig, and R. Ramesh: Science 299 (2003) 1719[Science].
  16. S. K. Shin, H. Ishiwara, K. Sato, and K. Maruyama: J. Appl. Phys. 102 (2007) 094109[AIP Scitation].
  17. N. Nagel, R. Bruchhaus, K. Hornik, U. Egger, H. Zhuang, H.-O. Joachim, T. Röhr, G. Beitel, T. Ozaki, and I. Kunishima: Proc. Int. Symp. VLSI Technology, 2004, p. 146.
  18. J. L. Moll and Y. Tarui: IEEE Trans. Electron Devices 10 (1963) 338.
  19. Y. Arimoto and H. Ishiwara: MRS Bull. 29 (2004) No. 11, 823.
  20. Y. Fujisaki and H. Ishiwara: Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 830 (2005) 64.
  21. G. Grynkewich, J. Akerman, P. Brown, B. Butcher, R. W. Dave, M. DeHerrera, M. Durlam, B. N. Engel, J. Janesky, S. Pietambaram, N. D. Rizzo, J. M. Slaughter, K. Smith, J. J. Sun, and S. Tehrani: MRS Bull. 29 (2004) No. 11, 818.
  22. J. Åkerman, P. Brown, B. Butcher, R. Dave, M. DeHerrera, M. Durlam, B. Engel, E. Fuchs, M. Griswold, G. Grynkewich, J. Janesky, J. Martin, J. Nahas, S. Pietambaram, N. Rizzo, J. Slaughter, K. Smith, J.-J. Sun, and S. Tehrani: Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 830 (2005) 191.
  23. T. Sugibayashi, T. Honda, N. Sakimura, K. Nagahara, S. Miura, K. Shimura, K. Tsuji, Y. Fukumoto, H. Honjo, T. Suzuki, Y. Kato, S. Saito, N. Kasai, H. Numata, N. Oshima, R. Nebashi, K. Suemitsu, T. Mukai, K. Mori, S. Fukami, N. Ishiwata, H. Hada, and S. Tahara: IEICE Tech. Rep. ICD 106 (2006) No. 2, p. 61 [in Japanese].
  24. S. Tehrani: IEDM Tech. Dig., 2006, p. 585.
  25. K. Miura, T. Kawahara, R. Takemura, J. Hayakawa, S. Ikeda, R. Sasaki, H. Takahashi, H. Matsuoka, and H. Ohno: Proc. Int. Symp. VLSI Technology, 2007, p. 234.
  26. Y. Huai: AAPPS Bull. 18 (2008) No. 6, 33.
  27. H. Horii, J. H. Yi, J. H. Park, Y. H. Ha, I. G. Beak, S. O. Park, Y. N. Hwang, S. H. Lee, Y. T. Kim, K. H. Lee, U. I. Chung, and J. T. Moon: Proc. Int. Symp. VLSI Technology, 2003, p. 177.
  28. N. Matsuzaki, K. Kurotsuchi, Y. Matsui, O. Tonomura, N. Yamamoto, Y. Fujisaki, N. Kitai, R. Takemura, K. Osada, S. Hanzawa, H. Moriya, T. Iwasaki, T. Kawahara, N. Takaura, M. Terao, M. Matsuoka, and M. Moniwa: IEDM Tech. Dig., 2005, p. 738.
  29. T. Morikawa, K. Kurotsuchi, M. Kinoshita, N. Matsuzaki, Y. Matsui, Y. Fujisaki, S. Hanzawa, A. Kotabe, M. Terao, H. Moriya, T. Iwasaki, M. Matsuoka, F. Nitta, M. Moniwa, T. Koga, and N. Takaura: IEDM Tech. Dig., 2007, p. 307.
  30. M. Wuttig and N. Yamada: Nat. Mater. 6 (2007) 824[CrossRef].
  31. S. Hudgens and B. Johnson: MRS Bull. 29 (2004) No. 11, 829.
  32. Y. Fujisaki, N. Matsuzaki, K. Kurotsuchi, T. Morikawa, M. Kinoshita, N. Kitai, S. Hanzawa, H. Moriya, N. Takaura, M. Terao, M. Matsuoka, T. Koga, and M. Moniwa: Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 997 (2007) 293.
  33. Y. Matsui, K. Kurotsuchi, O. Tonomura, T. Morikawa, M. Kinoshita, Y. Fujisaki, N. Matsuzaki, S. Hanzawa, M. Terao, N. Takaura, H. Moriya, T. Iwasaki, M. Moniwa, and T. Koga: IEDM Tech. Dig., 2006, p. 769.
  34. Y. H. Ha, J. H. Yi, H. Horii, J. H. Park, S. H. Joo, S. O. Park, U.-I. Chung, and J. T. Moon: Proc. Int. Symp. VLSI Technology, 2003, p. 175.
  35. Y. C. Chen, C. T. Rettner, S. Raoux, G. W. Burr, S. H. Chen, R. M. Shelby, M. Salinga, W. P. Risk, T. D. Happ, G. M. McClelland, M. Breitwisch, A. Schrott, J. B. Philipp, M. H. Lee, R. Cheek, T. Nirschl, M. Lamorey, C. F. Chen, E. Joseph, S. Zaidi, B. Yee, H. L. Lung, R. Bergmann, and C. Lam: IEDM Tech. Dig., 2006, p. 777.
  36. F. Pellizzer, A. Pirovano, F. Ottogalli, M. Magistretti, M. Scaravaggi, P. Zuliani, M. Tosi, A. Benvenuti, P. Besana, S. Cadeo, T. Marangon, R. Morandi, R. Piva, A. Spandre, R. Zonca, A. Modelli, E. Varesi, T. Lowrey, A. Lacaita, G. Casagrande, P. Cappelletti, and R. Bez: Proc. Int. Symp. VLSI Technology, 2004, p. 18.
  37. F. Pellizzer, A. Benvenuti, B. Gleixner, Y. Kim, B. Johnson, M. Magistretti, T. Marangon, A. Pirovano, R. Bez, and G. Atwood: Proc. Int. Symp. VLSI Technology, 2006, p. 122.
  38. F. Merget, D. H. Kim, P. H. Bolivar, and H. Kurz: Microsyst. Technol. 13 (2007) 169.
  39. T. D. Happ, M. Breitwisch, A. Schrott, J. B. Philipp, M. H. Lee, R. Cheek, T. Nirschl, M. Lamorey, C. H. Ho, S. H. Chen, C. F. Chen, E. Joseph, S. Zaidi, G. W. Burr, B. Yee, Y. C. Chen, S. Raoux, H. L. Lung, R. Bergmann, and C. Lam: Proc. Int. Symp. VLSI Technology, 2006, p. 120.
  40. W. S. Chen, C. Lee, D. S. Chao, Y. C. Chen, F. Chen, C. W. Chen, R. Yen, M. J. Chen, W. H. Wang, T. C. Hsiao, J. T. Yeh, S. H. Chiou, M. Y. Liu, T. C. Wang, L. L. Chein, C. Huang, N. T. Shih, L. S. Tu, D. Huang, T. H. Yu, M. J. Kao, and M.-J. Tsai: IEDM Tech. Dig., 2007, p. 319.
  41. M. Breitwisch, T. Nirschl, C. F. Chen, Y. Zhu, M. H. Lee, M. Lamorey, G. W. Burr, E. Joseph, A. Schrott, J. B. Philipp, R. Cheek, T. D. Happ, S. H. Chen, S. Zaidr, P. Flaitz, J. Bruley, R. Dasaka, B. Rajendran, S. Rossnage, M. Yang, Y. C. Chen, R. Bergmann, H. L. Lung, and C. Lam: Proc. Int. Symp. VLSI Technology, 2007, p. 100.
  42. T. W. Hickmott: J. Appl. Phys. 33 (1962) 2669[AIP Scitation].
  43. J. Gibbsons and W. E. Beadle: Solid-State Electron. 7 (1964) 785[CrossRef].
  44. S. R. Ovshinsky: Phys. Rev. Lett. 21 (1968) 1450[APS].
  45. S. Q. Liu, N. J. Wu, and A. Ignatiev: Appl. Phys. Lett. 76 (2000) 2749[AIP Scitation].
  46. W. W. Zhuang, W. Pan, B. D. Ulrich, J. J. Lee, L. Stecker, A. Burmaster, D. R. Evans, S. T. Hsu, M. Tajiri, A. Shimaoka, K. Inoue, T. Naka, N. Awaya, K. Sakiyama, Y. Wang, S. Q. Liu, N. J. Wu, and A. Ignatiev: IEDM Tech. Dig., 2002, p. 193.
  47. R. Waser and M. Aono: Nat. Mater. 6 (2007) 833[CrossRef].
  48. A. Sawa: Mater. Today 11 (2008) No. 6, 28.
  49. A. Sawa, R. Fujii, M. Kawasaki, and Y. Tokura: Appl. Phys. Lett. 85 (2004) 4073[AIP Scitation].
  50. Y. Xia, W. He, L. Chen, X. Meng, and Z. Liu: Appl. Phys. Lett. 90 (2007) 022907[AIP Scitation].
  51. S. H. Jeon, B. H. Park, J. Lee, B. Lee, and S. Han: Appl. Phys. Lett. 89 (2006) 042904[AIP Scitation].
  52. K. Szot, W. Speier, G. Bihlmayer, and R. Waser: Nat. Mater. 5 (2006) 312[CrossRef].
  53. R. Fors, S. I. Khartsev, and A. M. Grishin: Phys. Rev. B 71 (2005) 045305[APS].
  54. M. J. Rozenberg, I. H. Inoue, and M. J. Sánchez: Appl. Phys. Lett. 88 (2006) 033510[AIP Scitation].
  55. D. Choi, D. Lee, H. Sim, M. Chang, and H. Hwang: Appl. Phys. Lett. 88 (2006) 082904[AIP Scitation].
  56. I. G. Baek, D. C. Kim, M. J. Lee, H.-J. Kim, E. K. Yim, M. S. Lee, J. E. Lee, S. E. Ahn, S. Seo, J. H. Lee, J. C. Park, Y. K. Cha, S. O. Park, H. S. Kim, I. K. Yoo, U.-I. Chung, J. T. Moon, and B. I. Ryu: IEDM Tech. Dig., 2005, p. 750.
  57. Y. You, B. So, J. Hwang, W. Cho, S. Lee, T. Chung, C. Kim, and K. An: Appl. Phys. Lett. 89 (2006) 222105[AIP Scitation].
  58. D. C. Kim, M. J. Lee, S. E. Ahn, S. Seo, J. C. Park, I. K. Yoo, I. G. Baek, H. J. Kim, E. K. Yim, J. E. Lee, S. O. Park, H. S. Kim, U.-I. Chung, J. T. Moon, and B. I. Ryu: Appl. Phys. Lett. 88 (2006) 232106[AIP Scitation].
  59. I. Park, K. Kim, S. Lee, and J. Ahn: Jpn. J. Appl. Phys. 46 (2007) 2172[JSAP].
  60. K. Kinoshita, C. Yoshida, H. Aso, M. Aoki, and Y. Sugiyama: Ext. Abstr. Int. Conf. Solid State Devices and Materials, 2006, p. 570.
  61. M. Fujimoto, H. Koyama, M. Konagai, Y. Hosoi, K. Ishihara, S. Ohnishi, and N. Awaya: Appl. Phys. Lett. 89 (2006) 223509[AIP Scitation].
  62. D. S. Jeong, H. Schroeder, and R. Waser: Appl. Phys. Lett. 89 (2006) 082909[AIP Scitation].
  63. B. Choi, S. Choi, K. Kim, Y. Shin, C. Hwang, S. Hwang, S. Cho, S. Park, and S. Hong: Appl. Phys. Lett. 89 (2006) 012906[AIP Scitation].
  64. C. B. Lee, B. S. Kang, M. J. Lee, S. E. Ahn, G. Stefanovich, W. X. Xianyu, J. B. Park, and B. H. Park: Appl. Phys. Lett. 91 (2007) 082104[AIP Scitation].
  65. C. Ho, E. K. Lai, M. D. Lee, C. L. Pan, Y. D. Yao, K. Y. Hsieh, R. Liu, and C. Y. Lu: Proc. Int. Symp. VLSI Technology, 2007, p. 228.
  66. Y. Hosoi, Y. Tamai, T. Ohnishi, K. Ishihara, T. Shibuya, Y. Inoue, S. Yamazaki, T. Nakano, S. Ohnishi, N. Awaya, H. Inoue, H. Shima, H. Akinaga, H. Takagi, H. Akoh, and Y. Tokura: IEDM Tech. Dig., 2006, p. 793.
  67. K. Tsunoda, K. Kinoshita, H. Noshiro, Y. Yamazaki, T. Iizuka, Y. Ito, A. Takahashi, A. Okano, Y. Sato, T. Fukano, M. Aoki, and Y. Sugiyama: IEDM Tech. Dig., 2007, p. 767.
  68. K. Kinoshita, K. Tsunoda, Y. Sato, H. Noshiro, Y. Yamazaki, T. Fukano, S. Yagaki, M. Aoki, and Y. Sugiyama: Proc. Non-Volatile Semiconductor Memory Workshop, 2007, p. 66.
  69. M. Kund, G. Beitel, C.-U. Pinnow, T. Röhr, J. Schumann, R. Symanczyk, K.-D. Ufert, and G. Mueller: IEDM Tech. Dig., 2005, p. 754.
  70. X. Feng, W. J. Bresser, and P. Boolchand: Phys. Rev. Lett. 78 (1997) 4422[APS].
  71. H. Hönigschmid, M. Angerbauer, S. Dietrich, M. Dimitrova, D. Gogl, C. Liaw, M. Markert, R. Symanczyk, L. Altimime, S. Bournat, and G. Müller: Proc. Int. Symp. VLSI Circuits, 2006, p. 110.
  72. T. Sakamoto, N. Banno, N. Iguchi, H. Kawaura, H. Sunamura, S. Fujieda, K. Terabe, T. Hasegawa, and M. Aono: Proc. Int. Symp. VLSI Technology, 2007, p. 38.
  73. R. Müller, J. Genoe, and P. Heremans: Appl. Phys. Lett. 88 (2006) 242105[AIP Scitation].
  74. R. Müller, R. Naulaerts, J. Billen, J. Genoe, and P. Heremans: Appl. Phys. Lett. 90 (2007) 063503[AIP Scitation].
  75. Y. Yang, L. Ma, and J. Wu: MRS Bull. 29 (2004) 833.
  76. H. Kawai: Jpn. J. Appl. Phys. 8 (1969) 975[JSAP].
  77. S. Fujisaki, H. Ishiwara, and Y. Fujisaki: Appl. Phys. Lett. 90 (2007) 162902[AIP Scitation].
  78. S. Fujisaki, Y. Fujisaki, and H. Ishiwara: IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control 54 (2007) 2592.
  79. J. Karasawa, T. Yasuda, T. Saeki, T. Aoki, S. Moriya, E. Hirai, T. Masuda, T. Kawase, T. Shimoda, D. P. Chu, C. J. Newsome, S. W. Tam, and M. Ishida: Proc. Int. Symp. Application of Ferroelectrics, 2007, 30B-FR5-I1.
  80. T. Sekitani, Y. Noguchi, S. Nakano, K. Zaitsu, Y. Kato, M. Takamiya, T. Sakurai, and T. Someya: IEDM Tech. Dig., 2007, p. 221.
  81. Roadmap of 2007 edition can be downloaded from the following URL; http://www.itrs.net/Links/2007ITRS/Home2007.htm.
  82. International Technology Roadmap for Semiconductors, 2007 Edition, Process Integration, Devices and Structures, p. 35 [Tables PIDS5a and PIDS5b].
  83. International Technology Roadmap for Semiconductors, 2007 Edition, Emerging Research Devices, p. 11 [Table ERD5b].
  84. International Technology Roadmap for Semiconductors, 2007 Edition, Emerging Research Devices, p. 9 [Table ERD5a].
  85. International Technology Roadmap for Semiconductors, 2007 Edition, Emerging Research Devices, p. 8 [Table ERD4].
  86. R. Katsumata, M. Kito, Y. Fukuzumi, M. Kido, H. Tanaka, Y. Komori, M. Ishiduki, J. Matsunami, T. Fujiwara, Y. Nagata, L. Zhang, Y. Iwata, R. Kirisawa, H. Aochi, and A. Nitayama: Proc. Int. Symp. VLSI Technology, 2009, p. 136.
  87. J. Kim, A. J. Hong, S. M. Kim, E. B. Song, J. H. Park, J. Han, S. Choi, D. Jang, J.-T. Moon, and K. L. Wang: Proc. Int. Symp. VLSI Technology, 2009, p. 186.
  88. W. Kim, S. Choi, J. Sung, T. Lee, C. Park, H. Ko, J. Jung, I. Yoo, and Y. Park: Proc. Int. Symp. VLSI Technology, 2009, p. 188.
  89. J. Jang, H.-S. Kim, W. Cho, H. Cho, J. Kim, S. I. Shim, Y. Jang, J.-H. Jeong, B.-K. Son, D. W. Kim, K. Kim, J.-J. Shim, J. S. Lim, K.-H. Kim, S. Y. Yi, J.-Y. Lim, D. Chung, H.-C. Moon, S. Hwang, J.-W. Lee, Y.-H. Son, U.-I. Chung, and W.-S. Lee: Proc. Int. Symp. VLSI Technology, 2009, p. 192.
  90. R. Waser, R. Dittmann, G. Staikov, and K. Szot: Adv. Mater. 21 (2009) 2632[CrossRef].
  91. D.-H. Kwon, K. M. Kim, J. H. Jang, J. M. Jeon, M. H. Lee, G. H. Kim, X.-S. Li, G.-S. Park, B. Lee, S. Han, M. Kim, and C. S. Hwang: Nat. Nanotechnol. 5 (2010) 148.

|TOP|  |Next Article|  |Table of Contents| |JJAP Home|
Copyright © 2013 The Japan Society of Applied Physics
Contact Information