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低電圧かつ長寿命のハフニア系強誘電体メモリを開発 ~半導体不揮発性メモリの低消費電力と信頼性の飛躍的向上~

 東京大学と国立研究開発法人 科学技術振興機構(JST)は2021年6月1日,同大学大学院工学系研究科電気系工学専攻の高木 信一 教授らが,富士通セミコンダクターメモリソリューション株式会社との共同研究により,極めて低い動作電圧かつ長寿命のハフニア系強誘電体メモリの開発に成功したことを発表した.なおこの研究成果は,主として,JST戦略的創造研究推進事業 チーム型研究(CREST)によって得られ,2021年6月にオンライン開催された国際会議 Symposia on VLSI Technology and Circuits で発表された(注).

 社会のDX(デジタルトランスフォーメーション)化指向や人工知能技術の急速な発展により,大量のデータを蓄えるメモリへの要望が高まっており,その中でも電源が切れてもデータが消えない不揮発性メモリの需要は大きい.特に,低消費電力かつ高速動作が可能な強誘電体メモリへの期待は大きい.既に実用化されている強誘電体メモリ材料は,PZT(チタン酸ジルコン酸鉛:(PbZr)TiO3)やSBT(タンタル酸ビスマス酸ストロンチウム:(SrBi)TaO3)であり,国内では,交通系ICカードや産業ロボット向け,車載向け,モーター向け,メーター向けメモリとして広く用いられている.しかし,50nm以下の厚みで動作させることが難しく,また,半導体集積回路製造ラインでの使用が難しい材料を含んでいるなどの問題がある.

 一方,2011年に初めて強誘電性が報告された酸化ハフニウム(ハフニア:HfO2)系強誘電体材料は,10nm前後まで薄膜化が可能であり,さらに酸化ハフニウムや酸化ジルコニウム(ZrO2)は半導体集積回路製造プロセスでも使用されており,親和性が強く,半導体業界で大きな話題を呼んでいる.しかしながら,ハフニア系強誘電体は,分極反転電界が高いことが課題となっている.

 本共同研究グループは,強誘電特性を損なうことなくハフニア系強誘電体を極薄膜化する技術を確立することにより,上記の課題を克服した強誘電体メモリの実証に成功した.さらに,ハフニア系強誘電体材料の中でも特に低温で作製可能なHZO(HfO2とZrO2の混晶:Hf0.5Zr0.5O2)強誘電体薄膜の研究開発に取り組んだ.HZOの厚さを9.5nmから2.8nmまで変えた金属―強誘電体―金属(MFM)キャパシタにより厚さのスケーリングを系統的に調べた.厚さと強誘電体の結晶化温度にはトレードオフの関係が見出され,最適の条件を決めることができた.この結果,半導体集積回路の配線工程の許容温度以下の作製温度を用いながら,HZO強誘電体の厚みを4nmまで薄くしても,20μC/cm2以上の分極反転量が得られ,優れた強誘電体メモリ特性が実現できた.強誘電体メモリの書き換え電圧は膜厚に比例するので,薄膜化によって0.7V~1.2Vの低い動作電圧で,データの書き換えが可能な強誘電体メモリが実現できた.

 メモリの信頼性の指標であるデータ書き換え回数(エンデュランス)については,4nm厚のHZO強誘電体に100兆回まで書き換えても絶縁破壊が起こらないことが示され,もう一つの指標のデータ保持時間(リテンション)についてもデータを書き込んだ後そのまま電力を供給せず,85℃の環境で,10年以上の情報記憶が可能であることを実証した.低電圧で動作する先端の大規模論理集積回路への混載メモリにも適し,記憶機能と論理演算機能が両方備わった強誘電体トランジスタや,圧電変換素子などへの応用も期待できる.

(注)K. Tahara, K. Toprasertpong, Y. Hikosaka, K. Nakamura, H. Saito, M. Takenaka, and S. Takagi, "Strategy toward HZO BEOL-FeRAM with low-voltage operation ( ≤ 1.2 V), low process temperature, and high endurance by thickness scaling", Symposia on VLSI Technology and Circuits, 2021 Symposium on VLSI Technology, SESSION 7, T7-3, June 17, 2021