imecがFeRAMのHZOベース強誘電体キャパシタの応答と耐久性を改善 - IEDM 2022

imecは、開催中のIEEE IEDM 2022にて招待講演3件を含め、合計21件の発表を行っている。その中の1つにFeRAMの特性改善に関する発表がある。

具体的には、高耐久性(10¹¹サイクル)、高い最終残留分極2P_R(1.8MV/cmで2P_R=30μC/cm²)およびウェイクアップを低減したランタン・ドープ・ハフニウム・ジルコン酸(La:HZO)ベース強誘電体キャパシタの実証結果を発表した。

このユニークな特性の組み合わせは、強誘電体キャパシタ材料スタックの界面酸化物の探索研究によって得られたとする。高性能で、スケーラブル、かつCMOS互換の強誘電体キャパシタ技術は、FeRAMベースの組み込み型およびスタンドアロン型メモリアプリケーションの実現に不可欠なものである。

FeRAMは、組み込みメモリまたはストレージクラスメモリ(SCM)として使用される可能性のある不揮発性メモリであり、高速なDRAM(アクセス時間～10ns)と高密度なNANDの間のギャップを埋める役割が期待されている。FeRAMはDRAMに似た1-transistor-1-capacitor(1T1C)セルアーキテクチャを備えており、キャパシタの誘電体を強誘電体材料に置き換えて不揮発性を実現している。この強誘電体材料は、外部電場で反転できる2つの異なる分極状態(+Pおよび-P)を保つことができる。CMOSプロセスと互換性があり、10nm未満でスケーラブルであるため、ここ数年間、強誘電体としてHZOに多くの注目が集まっている。

組み込みまたはスタンドアロンのSCMとしての資格を得るには、いくつかの特性が必要である。理想的には、FeRAMメモリセルのキャパシタは、寿命全体で30～40μC/cm²の残留分極2P_Rと組み合わせて高い耐久性(>10¹²スイッチングサイクル)を備えている。これまでのところ、このような組み合わせは報告されていない。これは、コンデンサが長時間のウェイクアップ(最初の小さな2P_R)または急速な疲労(2P_Rの急速な劣化)に悩まされるためである。

界面酸化物の研究により、1nm TiO₂シード層と2nm Nb₂O₅キャップ層の両方をLa:HZO層に追加することで、最終的な2P_Rと組み合わせて初めて高い耐久性(10¹¹サイクル)を達成できたとしており、「私たちは高性能でスケーラブルなCMOS互換の強誘電体キャパシタ技術を手に入れた。これは次のエキサイティングな段階、つまり原子層堆積(ALD)プロセスを活用した平面から3D FeRAMキャパシタ構造への移行につながるもので、これにより、FeRAMメモリを新しい組み込みまたはスタンドアロンメモリとして市場に投入するために必要な密度が向上する」と述べている。