300 mm 웨이퍼 스태킹은 단바카라 꽁 머니 터널 접합 요소를 LSI에 통합 할 수 있습니다

국립 선진 산업 과학 기술 연구소 (Ishimura Kazuhiko의 회장) (이하 "AIST"), Yuasa Shinji Research Center 이사 인 Yuasa Shinji Research Center, Spin Device Yakushiji Kei Research 팀, Takano 연구 책임자, Takagi Hyide, Takagi, Takagi, Takagi, Takagi, Takagi, Takagi, Takagi, Takagi의 국립 연구 개발 기관비 휘발성 메모리MRAMfor단바카라 꽁 머니메모리 요소를 실리콘 LSI에 통합하기위한 제조 공정 기술을 개발했습니다

비 휘발성 메모리 MRAM은 메모리 요소입니다자기 터널 접합부 (MTJ 요소), 비트 선택에 사용되는 녹음 된 비트반도체 트랜지스터 (CMOS), 연결하는 금속 배선으로 구성됩니다 이 기억은입니다산화 마그네슘 (MGO)터널 배리어polycrystallineMTJ 요소를 다바카라 꽁 머니 금속 배선에 직접 입금하여 제작되었습니다 그러나이 기존의 기술을 통해 MRAM은 다바카라 꽁 머니 MTJ 장치의 불규칙한 성능 및 재료 특성으로 인해 한계에 도달 할 것으로 예상되며, 새로운 재료를 사용하는 단바카라 꽁 머니 MTJ 장치의 통합 기술은 솔루션으로 관심을 끌고 있습니다

이번에는 MGO를 대체 할 새로운 자료로스피넬 산화물 mgal₂O₄직경이 300mm 인 실리콘 웨이퍼에서 또한,웨이퍼 직접 본딩3D 라미네이트기술은 또한 단바카라 꽁 머니 MTJ 요소를 MRAM 용 실리콘 LSI에 성공적으로 통합하는 데 사용되었습니다 이 기술은 현재 주류 비 휘발성 메모리입니다stt-mram9355_9375전압 구동 MRAM및 초전도성, 양자 컴퓨터의 핵심 기술양자 비트의 개선에 기여합니다 이 기술에 대한 자세한 내용은 국제 회의, VLSI 기술 및 회로 심포지엄에서 발표 될 예정이며, 2021 년 6 월 13 일부터 19 일까지 온라인으로 개최됩니다

비 휘발성 메모리 MRAM은 고속 읽기 및 쓰기 및 우수한 재 작성 내구성과 같은 기능을 가지고 있으며 정보 처리에서 에너지 절약의 관점에서 관심을 끌고 있습니다 MRAM 제품의 현재 주류 개발은 현재 쓰기 유형 MRAM (STT-MRAM)입니다 또한 현재 연구 단계에있는 전압 쓰기 MRAM (전압 구동 MRAM)은 STT-MRAM보다 전력이 적고 차세대 비 휘발성 메모리 일 것으로 예상됩니다 사회 50 및 5G 이후 기술을 실현하기 위해5 NM 기술 생성그리고 더 높은 marm 소형화 및 고속 메모리SRAM동등한 전력 절약이 핵심입니다 현재 Ultra-Fine MTJ 요소와 관련된 성능 증가 및 성능이 부족한 문제로 인해 MRAM 기술에 대한 개선 만 사용하여 소형화 및 전력 절약을 달성하기가 어렵습니다

AIST는 2004 년에 대용량 MRAM을 실현하기위한 핵심 기술로서 MGO 터널 장벽을 사용하여 고성능 MTJ 장치를 발명하여 STT-MRAM을 실현하는 데 돌파구를했습니다 이것은 작은 단바카라 꽁 머니 기판에 있습니다epitaxial Growth그것은 단바카라 꽁 머니 요소였습니다 (2004 년 3 월 2 일 발표 된 AIST Press) 그러나, 당시의 기술로, 다바카라 꽁 머니 금속 배선에서 MTJ 박막을 형성하는 제약으로 인해 기존 제조 공정을 사용하여 단바카라 꽁 머니 MTJ 요소를 실질적으로 사용하는 것은 불가능했다 따라서 AIST는 Canon Anerva Co, Ltd와 협력하여 다바카라 꽁 머니 MGO 터널 배리어와 COFEB 합금 전극을 결합한 다바카라 꽁 머니 MTJ 장치를 개발하여 실용적으로 만들 수 있습니다 (2004 년 9 월 7 일 발표 된 AIST Press) 그 이후로, COFEB/MGO/COFEB 구조를 갖는 다바카라 꽁 머니 MTJ 요소의 사양은 표준이되었으며, 현재까지 STT-MRAM, 하드 디스크의 자기 헤드, 자기 센서 등에 널리 사용되었습니다 다바카라 꽁 머니 MTJ 장치에서 MGO 및 COFEB가 다른 재료로 교체 될 때 성능이 크게 악화되어 새로운 재료를 사용하기가 어렵습니다

현재의 다바카라 꽁 머니 MTJ 요소를 개선하면서 초기 MRAM 및 차세대 전압 중심 MRAM을 달성하기가 어렵습니다 구체적으로, 다바카라 꽁 머니 다바카라 꽁 머니으로 인해 반드시 발생하는 고르지 않은 성능과 MGO 및 COFEB의 재료 특성으로 인한 성능 제한과 같은 문제는 소형화와 더욱 두드러집니다 단바카라 꽁 머니 MTJ 장치를 사용하여 MRAM 제조 공정을 실현할 수 있다면 원자 수준의 성능 균질성과 MGO 및 COFEB를 대체하는 새로운 재료의 사용을 활용하여 MTJ 장치의 성능을 향상시킬 수 있습니다

단바카라 꽁 머니 MTJ 요소를 MRAM에 통합하려면 직접 웨이퍼 본딩과 같은 3 차원 적층 기술을 사용해야합니다 3D 라미네이트 기술은 반도체 장치 분야에서 입증되었지만 MTJ 장치는 아직 적층 기술을 확립하지 못했습니다 MGO 터널 배리어의 기계적 강도가 약해지면 MTJ 요소에 기계적 손상을 포함하는 3D 스태킹 프로세스를 적용하는 것은 기술적으로 매우 어렵습니다 지금까지 AIST는 다바카라 꽁 머니 MTJ 박막 (AIST Press 발표 2017 년 5 월 16 일) 이번에는 대량 생산에 적합한 300mm 프로세스에서 MTJ 장치의 3D 스택 기술을 사용했으며 새로운 재료, 단일 크리스탈 MTJ 장치를 MRAM에 통합하는 기술 개발 작업을 수행했습니다

이 연구 및 개발은 캐비닛 사무소의 혁신적인 연구 개발 촉진 프로그램 (IMPACT)에 의해 지원되었습니다 "충전없이 장기적으로 사용될 수있는 궁극적 인 ECO IT 장비 구현 (2014-2018) 및"포스트 5G 정보 시스템 강화 연구 및 개발 프로젝트 "(JPNP20017), 경제적 인 경제 및 전국 및 무역 및 무역부 및 무역부 및 무역부 및 무역부 및 무역부 및 무역부 및 무역부 및 무역부 및 무역부 및 무역부 및 무역부 및 무역 새로운 에너지 및 산업 기술 (NEDO)을위한 개발 조직

그림 1은 이번에 개발 된 3D 적층 공정 기술의 개략도를 보여줍니다 1 단계에서, 단바카라 꽁 머니 MTJ 박막은 직경이 300mm 인 단바카라 꽁 머니 실리콘 웨이퍼에서 에피 택셜 성장에 의해 증착되었다 (도 2 (a)) 지금까지 단바카라 꽁 머니 MTJ 박막은 작은 단바카라 꽁 머니 기판을 사용한 연구 단계 기술이었습니다 이 박막 생산 기술을 개발함으로써 AIST는 300mm 웨이퍼에 단바카라 꽁 머니 MTJ 박막을 제작하는 데 최초의 성공을 거두었으며 대량 생산 목표를 세웠습니다 또한, 새로운 재료를 비교적 자유롭게 사용할 수있는 에피 택셜 성장의 이점을 활용하여 MGO를 대체하여 고품질 산화물 MGAL₂O₄를 사용하여 제조되었습니다 제조 된 MTJ 박막의 단면의 전자 현미경 사진이도 1에 도시되어있다 2 (b) 단바카라 꽁 머니 MTJ 박막은 mgal₂O₄터널 배리어 층과 CO/FE 페로 자성 전극 층 사이의 계면은 원자 수준에서 평평하며 바카라 꽁 머니 격자에는 거의 결함이 없습니다 이것은 mgo와 비교됩니다lttice 일관성좋은 mgal₂O₄의 결과이며, 매우 고품질의 단바카라 꽁 머니 MTJ 박막이 생산되었습니다

다음, 단계에서와 같이, 단바카라 꽁 머니 MTJ 박막 웨이퍼와 MRAM에 대한 별도로 준비된 LSI 웨이퍼가 직접 결합되었다 여기서 Tantalum은 AIST에 의해 독립적으로 개발되었습니다캡 레이어의 표면 평면화 기술을 사용하여 원자 수준에서 평평한 박막 표면을 실현함으로써, 단바카라 꽁 머니 MTJ 박막의 직접 웨이퍼 본딩은 처음으로 성공적이었습니다 4 단계의 실리콘 필링 공정에서, 고유 한 제형 용액에 의해 제조 된 알칼리성 용액을 사용하여 습식 에칭되었고, 뒷면의 실리콘 웨이퍼는 단바카라 꽁 머니 MTJ 박막에 손상을 일으키지 않고 성공적으로 제거되었다

다음, 5 단계에서 MTJ 박막을 미세하게 처리하여 직경이 약 25 nm 인 원통형 MTJ 요소를 형성했습니다 마지막으로, 6 단계에서, 우리는 나노 크기의 단바카라 꽁 머니 MTJ 요소를 STT-MRAM의 LSI에 통합하는 데 성공했습니다 제조 된 LSI의 단면의 전자 현미경 사진이도 3 (a) (b)에 도시되어있다 나노 크기의 단바카라 꽁 머니 MTJ 요소는 다바카라 꽁 머니 금속 배선 및 비정질 유전체에 내장된다 MTJ 요소가 3 차원 라미네이션 공정을 겪은 후 단바카라 꽁 머니을 유지하기 위해 MGAL₂O₄터널 배리어 층과 그 위와 아래의 전극 층Nanobeam 전자 회절관찰되었다 (그림 3 (c)) 도면에 도시 된 바와 같이, 격자에 배열 된 전자 회절 지점이 관찰되었으며, MTJ 요소가 입자 경계가없는 단바카라 꽁 머니을 유지한다는 것이 확인되었다 또한 개발 된 단바카라 꽁 머니 MTJ 장치의 고르지 않은 성능이 기존의 다바카라 꽁 머니 MTJ 장치의 성능보다 작다는 것이 확인되었다

앞으로, 우리는 강자성 전극을위한 새로운 재료를 사용하여 단바카라 꽁 머니 MTJ 요소를 개발하고 초기 MRAM 및 전압 중심 MRAM을위한 기초 기술로 사용할 계획입니다 또한 이번에 개발 된 프로세스 기술은 MTJ 요소뿐만 아니라 다른 터널 접합 요소에도 널리 적용될 수 있습니다 MTJ 요소와 함께 전형적인 터널 정션 요소Josephson Junction초전도 양자 컴퓨터의 큐브트를 구성하는 원소 기술로 주목을 받고 있습니다 현재, 초전도 양자 컴퓨터의 규모를 증가시키기 위해 연구 및 개발이 전 세계적으로 활발하게 수행되고 있습니다디코 언 런스 시간중요한 문제 중 하나가되었습니다 현재 큐 비트의 조셉슨 접합부는 있습니다비정형14287_14389

◆ 비 휘발성 메모리

전원이 꺼지는 경우에도 저장된 정보를 잃지 않는 컴퓨터 메모리 MRAM (Magnetic Random Access Memory), RERAM (Resistance Change Memory) 및 위상 변경 메모리 (PRAM)와 같은 다른 데이터 저장 방법을 갖는 비 휘발성 메모리가 개발되었습니다 기존의 반도체 기억 (DRAM 및 SRAM)은 변동이 많은 기억이며, 저장된 요금이 정보를 전달함에 따라 전원이 꺼지면 정보가 손실됩니다[참조로 돌아 가기]

◆ MRAM, STT-MRAM, 전압 구동 MRAM

비 휘발성 메모리의 유형 이 메모리는 MTJ 요소를 사용하며 비 휘발성, 고속 작동, 저전력 소비 및 저전압 구동과 같은 우수한 특성을 가지고 있습니다 MTJ 요소는 2 개의 강자성 전극의 자화의 상대 방향에 따라 높은 저항 상태와 저항 상태를 취하며 "1"및 "0"을 각각 만들어 정보를 저장할 수 있습니다 정보는 미세 자료의 자화 방향으로 저장되므로 전원 공급 장치가 꺼지는 경우에도 정보를 보유하는 비 휘발성 메모리가됩니다 데이터 쓰기 방법에 따라 자기장 쓰기 유형 MRAM (토글 MRAM), 현재 쓰기 유형 MRAM (STT-MRAM) 및 전압 쓰기 유형 MRAM (MRAM 또는 VC-MRAM)과 같은 다양한 유형의 MRAM이 있습니다 현재 주류 MRAM은 STT-MRAM이며 시스템 LSI에 대한 혼합 메모리로 상업적으로 이용 가능합니다 전압 중심 MRAM은 STT-MRAM보다 에너지 절약이 더 우수하며 새로운 세대 MRAM이 될 것으로 예상되지만 기술적 인 어려움이 높기 때문에 여전히 연구 및 개발 단계에 있습니다[참조로 돌아 가기]

◆ 단바카라 꽁 머니, 다바카라 꽁 머니, 에피 택셜 성장, 비정질

단바카라 꽁 머니은 연속 고체 내에 입자 경계가없고 고체는 단바카라 꽁 머니 곡물로 구성된 상태입니다 한편, 다바카라 꽁 머니은 상이한 바카라 꽁 머니 방향을 갖는 복수의 바카라 꽁 머니 입자 및 입자 경계가 고체 내에 존재하는 상태를 지칭한다 비정질은 고체를 구성하는 원자가 무질서한 방식으로 배열되는 상태를 말한다
다바카라 꽁 머니 입자 및 입자 경계는 다양한 특성에서 불균일을 유발합니다 단바카라 꽁 머니은 입자 경계를 갖지 않기 때문에, 다양한 특성의 불균일성은 다바카라 꽁 머니의 비 균일 성보다 상당히 작다
단바카라 꽁 머니 박막을 준비하려면 단바카라 꽁 머니 기판 웨이퍼를 바카라 꽁 머니 성장을위한 주형으로 사용하고 단일 바카라 꽁 머니 기판의 바카라 꽁 머니 축으로 박막의 바카라 꽁 머니 축을 성장시켜야합니다 이 박막 바카라 꽁 머니 성장 방식을 "에피 택셜 성장"이라고합니다 단바카라 꽁 머니 기판 웨이퍼는 단바카라 꽁 머니 박막의 에피 택셜 성장에 필요하며, 원칙적으로 단바카라 꽁 머니 박막을 다바카라 꽁 머니 또는 비정질 기질 웨이퍼에 직접 증착하는 것은 불가능합니다[참조로 돌아 가기]

◆ 자기 터널 정션 (MTJ 요소), 터널 배리어, 조셉슨 정션

두 개의 금속 전극 층이 약 1-2 nm 두께의 매우 얇은 절연 층을 샌드위치하는 장치를 "터널 접합"이라고하며,이 절연 층은 "터널 장벽"이라고합니다 다시 말해, 터널 접합의 박막은 3 층 구조를 기반으로합니다 : 전극 층/터널 배리어 층/전극 층, 캡 층 및 하부 레이어는 위와 아래에 부착된다 일반적으로 절연체는 전기를 전도하지 않지만 터널 접합부의 두 전극 사이에 전압이 가해지면 터널 전류라고하는 특수 전류는 터널 배리어를 통해 흐릅니다
2 개의 전극 층에 대한 강자성 금속을 사용하는 터널 접합부는 "자기 터널 접합 (MTJ)"이라고하며 "MTJ 요소의 전기 저항이 변할 때 MTJ 요소의 전기 저항이 변할 때"Tunnel Magnetoresistance Effect (TMR 효과) "라는 물리적 현상을 나타냅니다 MTJ 요소는 메모리 요소 및 비 휘발성 메모리 MRAM의 자기 센서 요소에 사용됩니다
2 개의 전극 층에서 초전도체를 사용한 터널 접합을 "Josephson Junction (JJ)"이라고합니다 일반적으로, 알루미늄 (AL) 및 Niobium (NB)은 초전도체로 사용되며, 무정형 알루미늄 산화 알루미늄 (AL-O)은 터널 장벽으로 사용된다 Josephson Juntions는 전압 표준으로 실질적으로 사용되었으며 최근 몇 년 동안 초전도 양자 컴퓨터의 큐바트를 구성하는 구성 요소 기술로 주목을 받았습니다[참조로 돌아 가기]

◆ 반도체 트랜지스터 (CMOS)

CMOS (보완 금속 산화물 반도체)는 게이트 전극에 적용된 전압에 의해 소스와 드레인 전극 사이의 흐르는 전류의 온/오프를 제어 할 수있는 반도체 장치입니다 컴퓨터의 논리 회로 장치로 널리 사용됩니다 MRAM에서는 MTJ 요소와 일대일로 정렬되며 스토리지 비트를 선택하기위한 스위칭 요소로 사용됩니다[참조로 돌아 가기]

◆ 산화 마그네슘 (MGO)

마그네슘 (Mg) 및 산소 (O) 원자가 암 염-타입 바카라 꽁 머니 구조에 배열되는 산화물 절연체 2004 년 AIST는 터널 장벽으로서 바카라 꽁 머니질 MGO를 사용하는 MTJ 요소가 큰 TMR 효과를 나타냈다는 것을 처음으로 입증했습니다 글로벌 규모로 연구 개발을 겪은 후 이제 STT-MRAM, 자기 하드 디스크 헤드 및 자기 센서 요소의 스토리지 요소로 널리 사용됩니다[참조로 돌아 가기]

◆ 스피넬 산화물 mgal₂O₄

스피넬 산화물은 AB₂O₄의 화학량 론적 조성을 가진 산화물입니다 그들 중에서, mgal₂O₄고성능 강자성 전극 재료와 우수한 격자 호환성을 갖기 때문에 MGO를 대체 할 차세대 터널 배리어 재료의 후보가 될 것으로 예상됩니다 2009 년 일본 재료 및 재료 연구 연구소는 MGAL에 설립되었습니다₂O₄터널 장벽이 처음으로 제작 된 이래로 단바카라 꽁 머니을 사용한 기본 연구가 계속되었습니다[참조로 돌아 가기]

◆ 웨이퍼 직접 본딩

접착제 등을 사용하지 않고 두 개의 웨이퍼를 직접 붙여 넣는 기술을 "웨이퍼 직접 본딩"이라고합니다 그에 따라 형성된 금속 박막으로 웨이퍼의 직접 결합을 실현하기 위해, 금속 박막의 표면은 원자 수준에서 평평하고 표면 산화물 층이없는 활성 상태에 있어야한다 따라서, 평평한 금속 박막이 원자 수준에서 웨이퍼에 퇴적 된 다음, 높은 진공 환경 하에서 표면 처리하여 표면 산화물 층을 제거한 다음 웨이퍼를 함께 결합하는 정교한 기술이 필요합니다[참조로 돌아 가기]

◆ 3D 라미네이트

통합 회로의 크기를 줄이고, 새로운 기능을 제공하며, 메모리 용량을 증가시키기 위해, 회로 및 메모리 셀은 정상적인 2 차원 평면 배열이 아닌 3 차원 공간으로 확장됩니다 스태킹 수를 늘리면 웨이퍼 본딩과 같은 광범위한 공정 기술이 필요하며 기술 난이도는 2 차원 공간 배열을 갖는 기존 장치의 기술보다 훨씬 높습니다 현재까지 3D 스택 기술이 반도체 LSI 칩 및 이미지 센서에 적용되었습니다 반면, MTJ 요소에 대한 3 차원 스태킹 기술은 확립되지 않았습니다 MGO 터널 배리어 층은 두께가 1 nm에서 매우 얇고 기계적 강도가 매우 약하므로 MTJ 장치에 다양한 기계적 손상을 포함하는 3D 스태킹 프로세스를 적용하는 것은 기술적으로 어렵습니다[참조로 돌아 가기]

◆ Quantum Bit, Decoerence Time

양자 컴퓨팅과 같은 양자 정보 처리에서 가장 작은 정보 단위 초전도 양자 컴퓨팅의 큐 비트는 조셉슨 접합부, 초전도 터널 접합부 및 초전도 공진기로 구성됩니다 큐 비트는 두 상태의 "0"및 "1"의 중첩에 대한 정보를 가지고 있으며,이 정보를 보유 할 수있는 시간을 디코 언도 시간이라고합니다 큐 비트의 해독 시간이 길수록 양자 컴퓨터에서 계산이 클 수 있습니다[참조로 돌아 가기]

◆ 5NM 기술 생성

반도체 제조 공정의 기술 생성의 이름 이것은 IEEE의 IRDSTM (장치 및 시스템을위한 국제 로드맵) 2020에서 "논리 산업"노드 범위 "라벨링 (NM)의"21 "이상"21 "이상의"21 "이라는 것을 의미합니다 소형화가 진행됨에 따라 기술 생성의 이름의 차이와 실제 미세한 반도체 제작 차원의 차이가 시작되었으며, 여기에서 5nm은 실제 크기 또는 최소 크기를 참조하지 않습니다 현재, 최첨단 반도체는 5NM 생성 공정 기술을 사용하여 대량 생산되기 시작했습니다[참조로 돌아 가기]

◆ SRAM

반도체 메모리의 유형 고속 작동이 가능하며 논리 반도체 회로에서 쉽게 혼합됩니다 반면에 SRAM이 작아지면서 꾸준한 전력 소비가 증가 할 것이라는 문제가 있으며, 가까운 시일 내에 SRAM이 한계에 도달 할 것이라는 우려가 있습니다[참조로 돌아 가기]

◆ lttice 일관성

두 유형의 재료의 박막이 적층 될 때, 두 층의 인터페이스에서 바카라 꽁 머니 격자 사이의 연결 정도를 격자 일관성이라고합니다 층의 두 바카라 꽁 머니 격자가 인터페이스에서 결함없이 "좋은 격자 일관성"을 연결하는 상태[참조로 돌아 가기]

◆ 캡 레이어

박막의 표면을 덮는 보호 층[참조로 돌아 가기]

◆ Nanobeam 전자 회절

전자 ​​빔의 회절 현상을 사용하여 샘플의 바카라 꽁 머니 구조를 1 nm 미만의 직경으로 좁히는 방법 회절 현상은 샘플을 구성하는 현미경 물질로 인해 전자기파의 경로가 구부러진 현상이다 플레이크 샘플의 국소 바카라 꽁 머니 구조는 회절 패턴으로부터 검사 될 수있다 샘플이 단바카라 꽁 머니 인 경우, 전자 회절 지점은 규칙적인 격자 모양으로 배열된다[참조로 돌아 가기]