東大生研など、プロセッサの配線層に混載可能なメモリデバイス技術を開発

東京大学生産技術研究所(東大生研)は6月1日、神戸製鋼所およびコベルコ科研との共同研究により、Snを添加した酸化物半導体「IGZO」を用いたトランジスタと強誘電体「HfO₂」によるキャパシタを集積し、プロセッサの集積回路の配線層に混載可能なメモリデバイス技術の開発に成功したと発表した。

同成果は、東大生研の小林正治准教授らと、神戸製鋼所およびコベルコ科研との共同研究チームによるもの。詳細は、6月13日に国際会議「2021 Symposium on VLSI Technology and Circuits」の「VLSI Technology Symposium 2021」にて発表される予定だという。

近年、ビッグデータと機械学習を組み合わせることで、さまざまな新サービスが生み出されつつあるが、その演算のためには大容量メモリと高いコンピューティング能力が必要とされている。

機械学習においてビッグデータを用いるような場合、その計算に要する時間は、プロセッサとメモリとの間におけるデータの伝送効率によって変わり、「フォンノイマンボトルネック」として知られており、メモリとプロセッサ間のデータ伝送の高効率化が重要視されている。

従来、メインメモリとプロセッサは別チップで基板上に実装されており、そのやり取りは決して効率が良いとは言えなかった。そのため、高効率化に向け、プロセッサとメモリを同一チップ上に集積する手法など、さまざまなものが考案されてきた。

しかし、一般的にメモリ要素を、プロセッサ直上の配線層に三次元集積することは難しく、チップ上にメモリのための面積が必要となってしまうなどコストがかさむという課題があったほか、メモリを駆動させるためのトランジスタも配線上に形成する必要や、その高性能化、高信頼化などが求められていた。

そうした背景を踏まえ、研究チームは今回、大容量メモリと高効率データ伝送を両立するプロセッサと混載可能なメモリ技術の実現に向け、Snを添加したIGZO(IGZTO)をチャネル材料とするトランジスタと強誘電体HfO₂キャパシタを集積する、配線層に形成可能なメモリデバイス技術を提案することにしたという。

(左)従来の混載メモリと、今回の研究で提案された三次元集積メモリの概念図。(右)三次元集積メモリの具体的なメモリセル構造。トランジスタとメモリ要素を同時に配線層に形成することで、大容量メモリとプロセッサ-メモリ間の高効率データ伝送を実現できるという (出所:東大生研Webサイト)

Sn添加IGZO材料は、神戸製鋼所とコベルコ科研がフラットパネルディスプレイ(FPD)向けに開発した高移動度・高信頼性な酸化物半導体材料で、今回の研究では、集積デバイス応用のため8nmの極薄IGZTOチャネルと高誘電率のHfO₂ゲート絶縁膜でトランジスタが試作され、従来のIGZO材料と比べて2倍以上の高いキャリア移動度である20cm²/Vs程度が確認されたという。

(a)試作されたIGZTOトランジスタのチャネル部の透過電子顕微鏡(TEM)による断面像。(b)IGZTOトランジスタのドレイン電流-ゲート電圧特性。(c)IGZTOトランジスタとIGZOトランジスタの実効移動度の比較。良好なトランジスタ特性に加え、従来のIGZOトランジスタに比べて2倍以上の高い移動度が実現された (出所:東大生研Webサイト)

また、強誘電体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という課題があったほか、書き換えを繰り返すごとに特性が変動する「wakeup現象」が起こってしまうという問題があったが、今回の研究では、IGZTOをキャップ材料とすることで400℃以下の温度でも強誘電性を発現させることに成功したとする。

(a)試作された強誘電体HfO₂キャパシタの断面TEM像。(b)400℃の結晶化アニールで作成された強誘電体キャパシタの分極電荷特性。(c)IGZTOをキャップ層として用いた強誘電体HfO₂キャパシタの書き換え耐性。400℃の低温で形成が可能となり、wakeup現象のない良好な特性が得られたとした (出所:東大生研Webサイト)

さらに、IGZTOと強誘電体HfO₂は共に酸化物材料であり急峻な界面が得られるため、界面に欠陥や酸素空孔が形成されにくく、wakeup現象のない良好な強誘電体特性が実現できたともしている。

実際にIGZTOを用いたFETと、強誘電体HfO₂キャパシタを集積させたメモリデバイスを試作、書き込み動作と読出し動作の実証を行ったところ、トランジスタのゲート電圧が大きくなったことで、トランジスタの駆動力が上がり、メモリ動作が速くなることが確認されたほか、キャパシタ面積が小さくなったことで充放電する電荷量も小さくなり、メモリ動作が速くなることも確認されたという。