東京大ら、3次元集積可能なメモリデバイスを開発：Snを添加したIGZO材料を用い

東京大学は、神戸製鋼所およびコベルコ科研と共同で、Snを添加したIGZO材料（IGZTO）を用いた3次元集積メモリデバイスを開発、動作実証に成功した。プロセッサの配線層上に大容量メモリを混載することが可能となる。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

プロセッサの配線層上へメモリ混載が可能に

　東京大学生産技術研究所の小林正治准教授らは2021年6月1日、神戸製鋼所およびコベルコ科研と共同で、Snを添加したIGZO材料（IGZTO）を用いた3次元集積メモリデバイスを開発、動作実証に成功したと発表した。プロセッサの配線層上に大容量メモリを混載することが可能になる。

　IGZTOは、神戸製鋼所および、コベルコ科研がフラットパネルディスプレイ向けに開発した高移動度の酸化物半導体材料である。今回は、厚みが8nmと極めて薄いIGZTOチャネルと、誘電率が高いHfO₂ゲート絶縁膜を用い、トランジスタを試作した。トランジスタの移動度は、従来のIGZO材料に比べて2倍以上も高い約20cm²/Vsを達成したという。

　第一原理計算を用い、高い移動度を実現できた起源について調べた。この結果、Snを添加したことにより、アモルファス構造でも伝導電子が感じるポテンシャルの揺らぎが小さくなったためだと分かった。

従来の混載メモリと今回提案する3次元集積メモリの概念図および、メモリセル構造 （クリックで拡大） 出典：東京大学他

左は試作したIGZTOトランジスタのチャネル部の断面TEM像。中央はIGZTOトランジスタのドレイン電流−ゲート電圧特性。右はIGZTOトランジスタとIGZOトランジスタの実効移動度の比較 （クリックで拡大） 出典：東京大学他

　さらに今回、HfO₂材料でもIGZTOをキャップ材料とすることで、400℃以下の温度で強誘電性を発現させることができた。IGZTOの熱膨張係数が小さく、HfO₂材料の結晶化アニール中に、強誘電相形成を促すプロセスひずみが印加されたため、と分析している。さらに、IGZTOとHfO₂は共に酸化物材料であり、界面に欠陥や酸素空孔が生じにくく、書き換えを繰り返すごとに特性が変動する「wakeup現象」もなかったという。

　小林氏らが開発しているHfO₂材料はこれまで、500℃以下で強誘電性を発現させることが困難だったという。しかも、金属電極と強誘電体HfO₂の間には欠陥や酸素空孔が形成されやすいなど、いくつかの課題もあったが、今回の研究でこれらを解決した。

試作したHfO₂キャパシターの断面TEM像と、400℃の結晶化アニールで作成した強誘電体キャパシターの分極電荷特性および、400℃の結晶化アニールで作成した強誘電体キャパシターの分極電荷特性 （クリックで拡大） 出典：東京大学他

　研究チームは、IGZTOを用いたFETとHfO₂キャパシターを集積したメモリデバイスを試作し、書き込みや読み出しの動作を検証した。これにより、トランジスタのゲート電圧を大きくすればトランジスタの駆動力が上がり、メモリ動作が早くなることを確認した。キャパシターの面積を小さくすることで充放電する電荷量を小さくし、メモリ動作が早くなることも確認した。動作シミュレーションを用いて、「ナノ秒」単位で動作することを確認できたという。

左はIGZTOトランジスタとHfO₂キャパシターを集積したメモリセルの顕微鏡写真。中央はメモリセルの書き込み／読み出し電流特性のゲート電圧依存性。右はメモリセルの書き込み／読み出し電流特性のキャパシター面積依存性 （クリックで拡大） 出典：東京大学他