不揮発性メモリーMRAMの高度化に道筋
2021-06-01 産業技術総合研究所
ポイント
- 不揮発性メモリーMRAM用の記憶素子を単結晶で直径300 mmのシリコンウエハー上に作製
- 単結晶記憶素子をシリコンLSIに３次元積層技術で集積化
- 新世代MRAMや新規の超伝導量子ビットへの貢献に期待
概要
国立研究開発法人 産業技術総合研究所【理事長 石村 和彦】（以下「産総研」という）新原理コンピューティング研究センター 湯浅 新治 研究センター長、スピンデバイスチーム 薬師寺 啓 研究チーム長、デバイス技術研究部門【研究部門長 中野 隆志】 高木 秀樹 総括研究主幹らは、不揮発性メモリーMRAM用の単結晶記憶素子をシリコンLSIに集積化する製造プロセス技術を開発した。
不揮発性メモリーMRAMは、記憶素子である磁気トンネル接合（MTJ素子）からなる記録ビット、ビット選択に用いる半導体トランジスタ（CMOS）、それらを繋ぐ金属配線などで構成される。このメモリーは、酸化マグネシウム(MgO)トンネル障壁を用いた多結晶MTJ素子を多結晶の金属配線上に直接堆積することにより作製される。しかし、この従来からの技術では、多結晶MTJ素子の性能の不揃いや材料特性に起因して、MRAMの微細化が限界に達すると予想されるため、その解決策として新材料を用いた単結晶MTJ素子およびその集積化技術が注目されている。
今回、MgOに代わる新材料としてスピネル酸化物MgAl2O4を用いた単結晶MTJ薄膜を、直径300 mmのシリコンウエハー上に作製することに初めて成功した。また、ウエハー直接ボンディングを用いた3次元積層技術により、単結晶MTJ素子をMRAM用のシリコンLSIに集積化することにも初めて成功した。この技術は、現在主流の不揮発性メモリーSTT-MRAMの超微細化だけでなく、さらに省電力な電圧駆動MRAMや量子コンピューターの中核技術である超伝導量子ビットの高性能化などにも貢献する。なお、この技術の詳細は、2021年6月13～19日にオンライン開催される国際会議Symposia on VLSI Technology and Circuitsで発表される。
不揮発性メモリーSTT-MRAM（左）に集積化した単結晶MTJ素子の電子顕微鏡写真（右）
開発の社会的背景
不揮発性メモリーMRAMは、読み書きが高速で書き換えの耐久性に優れるなどの特徴を持ち、情報処理の省電力化の観点から注目を集めている。現在のMRAM製品開発の主流は電流書き込み型MRAM（STT-MRAM）である。また、研究段階にある電圧書き込み型MRAM（電圧駆動MRAM）は、STT-MRAMよりも電力消費が少ないため、次世代の不揮発性メモリーとして期待されている。Society 5.0やポスト5G技術を実現するためには、5 nm技術世代以降に対応するMARMの微細化や高速メモリーSRAM並の省電力が鍵となる。現状では、MTJ素子の超微細化に伴う性能の不揃いの増大や性能不足などの問題のため、MRAM技術の改良だけでは微細化や省電力性の実現は困難である。
研究の経緯
産総研は、大容量MRAMを実現するための中核技術として、2004年にMgOトンネル障壁を用いた高性能MTJ素子を発明し、STT-MRAM実現のためのブレークスルーとなった。これは、小さな単結晶基板上にエピタキシャル成長した単結晶素子であった（産総研プレス発表 2004年3月2日）。しかし、当時の技術では通常の製造プロセスによる単結晶MTJ素子の実用化は、多結晶の金属配線上にMTJ薄膜を形成するという制約のため不可能であった。そこで産総研はキヤノンアネルバ株式会社と共同で、多結晶MgOトンネル障壁とCoFeB合金電極を組み合わせた多結晶MTJ素子を開発し、その実用化を可能とした（産総研プレス発表 2004年9月7日）。その後、このCoFeB/MgO/CoFeB構造の多結晶MTJ素子の仕様が標準となり、現在までにSTT-MRAMやハードディスク磁気ヘッド、磁気センサーなどで広く利用されている。なお、多結晶MTJ素子では、MgOとCoFeBを他の材料に替えると性能が著しく劣化するため、新材料を用いることは困難である。
現状の多結晶MTJ素子の改良だけでは、MRAMの超微細化や次世代の電圧駆動MRAMの実現は困難である。具体的には、多結晶であるために必然的に生ずる性能の不揃いやMgOとCoFeBの材料特性に起因した性能限界などの問題が、微細化に伴って顕著になる。もし、単結晶MTJ素子を用いたMRAMの製造プロセスを実現できれば、原子レベルでの性能の均質性とMgOとCoFeBに替わる新材料の活用により、MTJ素子の性能向上が期待できる。
単結晶MTJ素子をMRAMに集積化するには、ウエハー直接ボンディングなどの３次元積層技術を活用する必要がある。３次元積層技術は半導体デバイス分野では実績があるが、MTJ素子では積層技術が確立されていなかった。MgOトンネル障壁の機械的な強度が弱いため、機械的ダメージが加わる3次元積層プロセスをMTJ素子に適用することは技術的に非常に難しい。これまで産総研では、多結晶MTJ薄膜を用いた３次元積層プロセスを開発してきた（産総研プレス発表 2017年5月16日）。今回、MTJ素子の３次元積層技術を量産に適した300 mmプロセスに用いて、新材料の単結晶MTJ素子をMRAMに集積化技術の開発に取り組んだ。
なお、本研究開発は、内閣府 革新的研究開発推進プログラム（ImPACT）「無充電で長期間使用できる究極のエコIT機器の実現（2014～2018年度）」、および経済産業省及び国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)が推進する「ポスト５Ｇ情報通信システム基盤強化研究開発事業」(JPNP20017)による支援を受けて行った。
研究の内容
今回開発した3次元積層プロセス技術の概略を図1に示す。ステップ①で、直径300 mmの単結晶シリコンウエハー上に単結晶MTJ薄膜をエピタキシャル成長により堆積した（図2(a)）。これまで単結晶MTJ薄膜は、小さな単結晶基板を用いた研究段階の技術であった。今回産総研では、この薄膜作製技術を発展させることにより、300 mmウエハー上に単結晶MTJ薄膜を作製することに初めて成功し、量産へのめどをつけた。また、新材料を比較的自由に用いることができるエピタキシャル成長の利点を活かして、MgOに代わり、より高品質なスピネル酸化物MgAl2O4を用いたトンネル障壁層を作製した。作製したMTJ薄膜の断面の電子顕微鏡写真を図2(b)に示す。作製した単結晶MTJ薄膜は、MgAl2O4トンネル障壁層とCo/Fe強磁性電極層の界面が原子レベルで平坦であり、結晶格子の欠陥がほとんど存在しない。これは、MgOに比べて格子整合性が良いMgAl2O4の特徴が活かされた結果であり、極めて高品質の単結晶MTJ薄膜が作製されている。
図1 単結晶MTJ素子の３次元積層プロセス
次にステップ②③のように、単結晶MTJ薄膜ウエハーと別途用意したMRAM用LSIウエハーの直接ボンディングを行った。ここで、産総研が独自に開発したタンタルキャップ層の表面平坦化技術を用いて原子レベルで平坦な薄膜表面を実現することにより、単結晶MTJ薄膜のウエハー直接ボンディングに初めて成功した。ステップ④のシリコン剥離プロセスでは、独自に調合したアルカリ溶液を用いたウェットエッチングにより、単結晶MTJ薄膜に損傷を与えずに裏面シリコンウエハーを除去することに成功した。
図2 (a)直径300 mmのシリコンウエハー上に作製した単結晶MTJ薄膜。
(b)単結晶MTJ薄膜の断面の透過電子顕微鏡写真
つづいてステップ⑤で、MTJ薄膜を微細加工して直径約25 nmの円柱状のMTJ素子を形成した。最後にステップ⑥で誘電体と上部の金属配線を作り込むことにより、ナノサイズの単結晶MTJ素子をSTT-MRAM用LSIに集積化することに初めて成功した。作製したLSIの断面の電子顕微鏡写真を図3(a)(b)に示す。ナノサイズの単結晶MTJ素子が、多結晶金属配線と非晶質誘電体の中に埋め込まれた構造が実現している。３次元積層プロセスを経た後もMTJ素子が単結晶を維持していることを確認するために、MgAl2O4トンネル障壁層とその上下の電極層のナノビーム電子線回折を観察した（図3(c)）。図のように、格子状に配列した電子線回折スポットを観察しており、MTJ素子が結晶粒界が無い単結晶を維持していることを確認した。また、開発した単結晶MTJ素子の性能の不揃いが、従来型の多結晶MTJ素子に比べて小さいことも確認した。
図3 (a)LSI断面の電子顕微鏡写真。(b)MTJ素子周辺を拡大した電子顕微鏡写真。(c)ナノビーム電子線回折像
今後の予定
今後は、強磁性電極にも新材料を用いた単結晶MTJ素子を開発し、MRAMの超微細化や電圧駆動MRAMのための基盤技術として活用していく予定である。また、今回開発されたプロセス技術は、MTJ素子に限らず、他のトンネル接合素子にも広く応用できるものである。MTJ素子と並んで代表的なトンネル接合素子であるジョセフソン接合は、超伝導量子コンピューターの量子ビットを構成する要素技術として注目されている。現在、超伝導量子コンピューターを大規模化するための研究開発が世界規模で精力的に行われており、長いデコヒーレンス時間を持つ量子ビットの開発が重要課題の一つとなっている。現状、量子ビットのジョセフソン接合には非晶質のトンネル障壁と多結晶の超伝導電極が用いられている。今回開発したプロセス技術を応用して、ジョセフソン接合の単結晶化と新材料の導入を行い、長いデコヒーレンス時間を持つ量子ビットの開発を目指す予定である。
用語の説明
- ◆不揮発性メモリー
- 電源を切っても記憶された情報が失われないコンピューター用メモリー。磁気ランダムアクセスメモリー（MRAM）、抵抗変化メモリー(ReRAM)、相変化型メモリー（PRAM）など、データ記憶方式の異なる数種類の不揮発性メモリーが開発されている。既存の半導体メモリー（DRAMやSRAM）は揮発性メモリーであり、蓄積電荷が情報を担うため電源を切ると情報が失われる。
- ◆MRAM、STT-MRAM、電圧駆動MRAM
- 不揮発性メモリーの一種。MTJ素子を用いたメモリーであり、不揮発性・高速動作・低消費電力・低電圧駆動といった優れた特性を備える。MTJ素子は２つの強磁性電極の磁化の相対的な方向により高抵抗状態と低抵抗状態をとり、それぞれを「1」と「0」に対応させて情報を記憶できる。微小磁性体の磁化方向として情報を記憶するため、電源を切っても情報が保持される不揮発性メモリーとなる。MRAMには、データ書込方式の違いにより、磁界書き込み型MRAM（トグルMRAM）、電流書き込み型MRAM（STT-MRAM）、電圧書き込み型MRAM（電圧駆動MRAMまたはVC-MRAM）などの種類がある。現在主流のMRAMはSTT-MRAMであり、システムLSIの混載メモリーとして商用化されている。電圧駆動MRAMはSTT-MRAMよりも省電力性に優れており、新世代MRAMとして期待されているが、技術的難易度が高いためにまだ研究開発段階にある。
- ◆単結晶、多結晶、エピタキシャル成長、非晶質
- 単結晶とは、連続した固体内に結晶粒界が存在せず、固体が単一の結晶粒で構成されている状態である。一方、多結晶とは、固体内に結晶方位が異なる複数の結晶粒と結晶粒界が存在する状態のことである。非晶質とは、固体を構成する原子が無秩序に配置した状態のことである。
多結晶の結晶粒や結晶粒界は、諸特性の不均一の原因となる。単結晶には結晶粒界がないため、諸特性の不均一は多結晶に比べて格段に小さい。
単結晶の薄膜を作製するには、単結晶の基板ウエハーを結晶成長のテンプレートとして用い、薄膜の結晶軸を単結晶基板の結晶軸に揃えて結晶成長させる必要がある。このような薄膜結晶成長の様式は「エピタキシャル成長」と呼ばれる。単結晶薄膜のエピタキシャル成長には単結晶の基板ウエハーが必要であり、多結晶や非晶質の基板ウエハーの上に単結晶薄膜を直接堆積させることは原理的に不可能である。 - ◆磁気トンネル接合（MTJ素子）、トンネル障壁、ジョセフソン接合
- 厚さ約1–2 nmという極薄の絶縁体層を２枚の金属電極層で挟んだ素子は「トンネル接合」と呼ばれ、この絶縁体層を「トンネル障壁」という。つまり、トンネル接合の薄膜は【電極層／トンネル障壁層／電極層】の３層構造を基本とし、その上下にキャップ層と下地層が付属している。通常、絶縁体は電気を通さないが、トンネル接合の２つの電極間に電圧を加えるとトンネル障壁を通してトンネル電流と呼ばれる特殊な電流が流れる。
２枚の電極層に強磁性金属を用いたトンネル接合は「磁気トンネル接合（MTJ）」と呼ばれ、２つの強磁性電極の磁化の向きが平行な場合と反平行な場合でMTJ素子の電気抵抗が変化する「トンネル磁気抵抗効果（TMR効果）」という物理現象を示す。MTJ素子は、不揮発性メモリーMRAMの記憶素子や磁気センサー素子などに用いられている。
２枚の電極層に超伝導体を用いたトンネル接合は「ジョセフソン接合（JJ）」と呼ばれる。通常、超伝導体としてアルミニウム(Al)やニオブ（Nb）、トンネル障壁として非晶質の酸化アルミニウム（Al-O）などが用いられる。ジョセフソン接合は電圧標準として実用化されており、近年は超伝導量子コンピューターの量子ビットを構成する要素技術として注目されている。 - ◆半導体トランジスタ（CMOS）
- CMOS（相補型金属酸化膜半導体）は、ゲート電極にかける電圧によってソース電極とドレイン電極間に流れる電流のオンオフが制御できる半導体デバイスである。コンピューターの論理回路デバイスとして広く応用されている。MRAMでは、MTJ素子と1対1で配置し、記憶ビット選択のためのスイッチング素子として用いられている。
- ◆酸化マグネシウム（MgO）
- マグネシウム（Mg）と酸素（O）の原子が岩塩型結晶構造に格子配列した酸化物絶縁体。2004年に産総研は、結晶MgOをトンネル障壁に用いたMTJ素子が巨大なTMR効果を示すことを初めて実証した。その後の世界規模の研究開発を経て、現在ではSTT-MRAMの記憶素子やハードディスク磁気ヘッド、磁気センサー素子として広く実用化されている。
- ◆スピネル酸化物 MgAl2O4
- スピネル酸化物はAB2O4の化学量論組成を持つ酸化物である。その中でもMgAl2O4は高性能な強磁性電極材料との格子整合性に優れているため、MgOに代わる次世代のトンネル障壁材料の候補として期待されている。2009年に独立行政法人物質・材料研究機構のグループがMgAl2O4トンネル障壁を初めて作製して以来、単結晶を用いた基礎研究が続けられている。
- ◆ウエハー直接ボンディング
- 接着剤などを使わずに２枚のウエハーを直接貼り合わせる技術を「ウエハー直接ボンディング」という。金属薄膜を形成したウエハーの直接ボンディングを実現するには、金属薄膜の表面が原子レベルで平坦であり、かつ表面酸化層の無い活性な状態であることが必要である。このため、ウエハー上に原子レベルで平坦な金属薄膜を堆積した後、高真空環境下での表面処理により表面酸化層を除去してからウエハー同士を貼り合わせる、という高度な技術が必要となる。
- ◆3次元積層
- 集積回路の小型化や新たな機能の付与、メモリーの大容量化などのために、通常の2次元平面の配列ではなく３次元空間に回路やメモリーセルなどを拡張すること。積層数を増やす際には、ウエハー接合など多岐にわたるプロセス技術が求められ、その技術難易度は２次元空間配列の既存デバイスにくらべて格段に高い。現在までに、3次元積層技術は半導体LSIチップやイメージセンサーに応用されている。一方、MTJ素子の３次元積層技術は確立されていなかった。MgOトンネル障壁層は厚さわずか1 nmと極めて薄く、その機械的な強度が非常に弱いため、さまざまな機械的ダメージが加わる3次元積層プロセスをMTJ素子に適用することは技術的に難易度が高い。
- ◆量子ビット、デコヒーレンス時間
- 量子コンピューティングなど量子情報処理における情報の最小単位。超伝導量子コンピューティングの量子ビットは、超伝導トンネル接合であるジョセフソン接合と超伝導共振器により構成される。量子ビットは”0”，”1”の2つの状態の重ね合わせの情報を持ち、この情報を保持できる時間をデコヒーレンス時間という。量子ビットのデコヒーレンス時間が長いほど、量子コンピューターで大規模な計算を実行できる。
- ◆5nm技術世代
- 半導体製造プロセスの技術世代の呼び名。IEEEのIRDSTM（International Roadmap for Devices and Systems）2020中の「Logic industry “Node Range” labeling（nm）」における「2.1」以降を意味する。微細化が進むにつれて技術世代の呼び名と実際の半導体微細加工寸法の乖離が始まっており、ここで言う5nmは、配線幅や最小加工寸法などの実際のサイズを指すものではない。現在最先端の半導体は5nm世代のプロセス技術で量産化されはじめている。
- ◆SRAM
- 半導体メモリーの一種。高速動作が可能であり、ロジック用半導体回路に混載しやすいという特徴を持つ。一方、SRAMの微細化に伴って定常的な消費電力が増大するという問題があり、近い将来、SRAMは微細化限界に達すると危惧されている。
- ◆格子整合性
- 2種類の材料の薄膜を積層したとき、2層の界面における結晶格子の繋がり具合を格子整合性という。界面で2層の結晶格子が欠陥なく繋がっている状態を「格子整合性が良い」という。
- ◆キャップ層
- 薄膜の表面を覆う保護層のこと。
- ◆ナノビーム電子線回折
- 直径1nm以下に絞られた電子線の回折現象を使って試料の結晶構造を観察する手法。回折現象とは、試料を構成する微小物質により電磁波の行路が曲がる現象。回折パターンから薄片試料の局所的な結晶構造を調べることができる。試料が単結晶であるとき、電子線回折スポットが格子状に規則正しく配列する。
