低電圧かつ長寿命のハフニア系強誘電体メモリを開発

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半導体不揮発性メモリの低消費電力と信頼性の飛躍的向上

2021-06-01 東京大学,科学技術振興機構

ポイント
  • 1ボルト以下の極めて低い動作電圧で100兆回の書き換え回数を達成できる強誘電体メモリの開発に成功。
  • 酸化ハフニウム系強誘電体の低温作製・極薄膜化・高い強誘電特性を両立させる技術を確立し、配線工程中での作製・低電圧でのデータ読み書き・高信頼性を備えた強誘電体メモリを実現。
  • IT技術や人工知能計算に必要不可欠な要素である不揮発性メモリを高性能化し、コンピューティング技術のさらなる発展に貢献。

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、Kasidit Toprasertpong(トープラサートポン・カシディット) 講師、竹中 充 教授、高木 信一 教授は、JST 戦略的創造研究推進事業のもと、富士通セミコンダクターメモリソリューション株式会社との共同研究により、極めて低い動作電圧かつ長寿命の強誘電体メモリの開発に成功しました。

IT技術に欠かせないコンピューターの低消費電力化や人工知能計算の高効率化に向けて、情報を記憶する不揮発性メモリの一層の高度化が強く求められています。特に、動作電圧の低減、データ書き換え回数の向上、データ保持時間の増大、BEOLといわれる半導体製造の配線工程中での作製が可能、という要求を満たすメモリが望まれています。

本共同研究において、酸化ハフニウム系強誘電体材料を、4ナノメートルまで薄くしても十分な強誘電体特性が得られる技術を確立することで、0.7ボルト~1.2ボルトの低い電圧でデータの読み書きができるようになり、最先端の大規模集積回路と同等の電圧で動作できることを明らかにしました。この低動作電圧に加えて、酸化ハフニウムという半導体製造プロセスに容易に組み込める強誘電体材料を用いていること、半導体大規模集積回路の配線工程で許される温度範囲で作製できること、反転分極量が実用化上十分に大きいこと、データの書き換え回数を100兆回程度まで伸ばすことができること、1度書き込んだデータを10年以上記憶できることなど、不揮発性メモリとして必要な性能が全て備わった、優れた強誘電体メモリセルの実現に初めて成功しました。

本研究成果は、不揮発性メモリ技術の新たな展開をもたらし、集積回路への混載メモリなどに適用することにより、人工知能技術への応用など今後期待される次世代コンピューティングの技術革新を促進していくことが期待されます。

本研究成果は、2021年6月1日(日本時間)に国際会議Symposia on VLSI Technology and Circuitsで発行される「Technical Digest」に掲載されます。

本研究成果は、主として、以下の事業・研究領域・研究課題によって得られました。

戦略的創造研究推進事業 チーム型研究(CREST)

研究領域:「情報担体を活用した集積デバイス・システム」(研究総括:平本 俊郎 東京大学生産技術研究所 教授)

研究課題:「強誘電体分極と電荷の相互作用を利用した新デバイス・システム」

研究代表者:高木 信一(東京大学 大学院工学系研究科 教授)

詳しい資料は≫

<論文タイトル>
“Strategy toward HZO BEOL-FeRAM with low-voltage operation (≤ 1.2 V), low process temperature, and high endurance by thickness scaling”
<お問い合わせ先>

<研究に関すること>
Kasidit Toprasertpong(トープラサートポン・カシディット)
東京大学 大学院工学系研究科 電気系工学専攻 講師

高木 信一(タカギ シンイチ)
東京大学 大学院工学系研究科 電気系工学専攻 教授

<JST事業に関すること>
嶋林 ゆう子(シマバヤシ ユウコ)
科学技術振興機構 戦略研究推進部 グリーンイノベーショングループ

<報道担当>
東京大学 大学院工学系研究科 広報室
科学技術振興機構 広報課

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