東京大ら、低電圧で長寿命の強誘電体メモリを開発：HZO強誘電体を4nmまで薄膜化

東京大学は富士通セミコンダクターメモリソリューションと共同で、1V以下という極めて低い動作電圧で、100兆回の書き換え回数を可能にした「ハフニア系強誘電体メモリ」を開発した。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

1V以下の動作電圧で100兆回の書き換えを可能に

　東京大学大学院工学系研究科電気系工学専攻の田原建人大学院生とKasidit Toprasertpong講師、竹中充教授、高木信一教授らは2021年6月、富士通セミコンダクターメモリソリューションと共同で、1V以下という極めて低い動作電圧で、100兆回の書き換えを可能にした「ハフニア系強誘電体メモリ」を開発したと発表した。

　強誘電体メモリとしては既に、PZT（チタン酸ジルコン酸鉛）やSBT（タンタル酸ビスマス酸ストロンチウム）といった材料を用いた製品が実用化され、日本では交通系ICカードや車載用途などで採用されている。しかし、既存の材料では膜厚が50nm以下になると動作させることが難しかったり、特殊な製造ラインが必要となったりしていた。

　今回用いた酸化ハフニウム系強誘電体材料は、10nm程度まで薄膜化できることが既に報告されている。しかし、データの書き換えるのに高い電圧が必要となるなど、低電圧動作の大規模集積回路を実現していくうえで課題となっていた。

　そこで研究チームは、低温プロセスで強誘電体メモリを作製できるHZO（酸化ハフニウムと酸化ジルコニウムの混晶）強誘電体に注目した。そして、半導体製造の配線工程で許容される温度以下の環境で、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る技術を開発した。強誘電体メモリの書き換え電圧は膜厚に比例するといわれており、今回は薄膜化によって0.7〜1.2Vという低い動作電圧で、データの書き換えを可能にした。

左は4nmまで薄膜化したHZO強誘電体の断面透過電子顕微鏡像、中央は1.2V動作のヒステリシス特性、右は0.7V動作のヒステリシス特性 出典：東京大学他

　HZO強誘電体の薄膜化に伴う動作電圧低下によって、データ書き換え回数とデータ保持時間が、著しく改善できることも明らかとなった。特に、動作電圧を小さくできたことで、酸化ハフニウム系強誘電体の絶縁破壊耐性が大幅に改善されたという。実験結果から見積もると、膜厚4nmのHZO強誘電体は、100兆回までデータを書き換えても絶縁破壊が起こらず、安定に動作することが分かった。

作製したHZO薄膜強誘電体メモリのデータ書き換え特性（左）とデータ保持特性（右） （クリックで拡大） 出典：東京大学他

　さらに、低い電圧でも分極状態を制御する電界を十分に確保し、「0」や「1」の状態を書き込むことができるため、データ書き込み後に電力を供給しなくても、85℃の環境で10年以上も情報を記憶できることを確認したという。