国立先进产业技术研究所[主席：石村和彦]（以下简称“AIST”）新原理计算研究中心研究中心主任汤浅伸司，器件技术研究部药师寺庆，器件技术研究部主任药师寺庆[研究主任中野隆]首席研究官高木秀树等非易失性存储器MRAM对于单晶我们开发了一种制造工艺技术，可将存储元件集成到硅LSI中。
非易失性存储器MRAM是一种存储元件磁隧道结（MTJ 元件）组成的位，用于位选择半导体晶体管（CMOS），由连接它们的金属布线等组成。这个记忆是氧化镁 (MgO)隧道屏障多晶MTJ 元件是通过直接沉积在多晶金属互连上来制造的。然而，在这种传统技术下，由于多晶MTJ元件的性能和材料特性参差不齐，预计MRAM的小型化将达到极限，因此使用新材料的单晶MTJ元件及其集成技术作为解决方案正在引起人们的关注。
这次是作为替代MgO的新材料尖晶石氧化物镁铝2O4成功制作了单晶MTJ薄膜。在直径为300毫米的硅片上。另外，晶圆直接键合3D 堆叠技术上，我们还首次成功将单晶 MTJ 元件集成到 MRAM 的硅 LSI 中。该技术是目前主流的非易失性存储器STT-MRAM的超小型化，而且更省电电压驱动MRAM以及超导，量子计算机的核心技术量子位的性能。该技术的详细信息将于 2021 年 6 月 13 日至 19 日在线举行的国际超大规模集成电路技术与电路研讨会上公布。
集成在非易失性存储器STT-MRAM中的单晶MTJ元件的电子显微照片（左）（右）
非易失性存储器MRAM具有读/写速度快、重写耐久性优异等特性，并且从降低信息处理中的功耗的角度来看受到关注。目前MRAM产品发展的主流是电流写入式MRAM（STT-MRAM）。此外，目前正处于研究阶段的电压可编程MRAM（电压驱动MRAM）预计将成为下一代非易失性存储器，因为它比STT-MRAM消耗更少的功率。为了实现社会50和后5G技术，5 纳米技术一代MARM小型化和高速内存兼容以后静态随机存储器平庸的省电是关键。目前，仅通过改进MRAM技术很难实现小型化和节能化，因为MTJ元件的超精细设计会导致性能不一致和性能不足等问题。
AIST于2004年发明了使用MgO隧道势垒作为实现大容量MRAM核心技术的高性能MTJ元件，成为实现STT-MRAM的突破。这是在小型单晶基板上完成的外延生长它是一种单晶元素，具有10485_10499|AIST 新闻公告 2004 年 3 月 2 日）。然而，在当时的技术条件下，由于在多晶金属布线上形成MTJ薄膜的限制，使用常规制造工艺不可能将单晶MTJ元件商业化。因此，AIST与Canon Anelva Inc合作，开发了结合多晶MgO隧道势垒和CoFeB合金电极的多晶MTJ元件，使其实用化成为可能（AIST 新闻稿 2004 年 9 月 7 日）。之后，这种CoFeB/MgO/CoFeB结构的多晶MTJ元件的规格成为标准，目前广泛应用于STT-MRAM、硬盘磁头、磁传感器等。需要注意的是，在多晶MTJ元件中，用其他材料替代MgO和CoFeB会显着降低性能，因此很难使用新材料。
仅通过改进现有的多晶MTJ元件很难实现超精细MRAM和下一代电压驱动MRAM。具体而言，随着小型化的进展，MgO和CoFeB的多晶结构不可避免地会导致性能不一致以及材料特性造成的性能限制等问题变得更加突出。如果能够实现使用单晶MTJ元件的MRAM制造工艺，由于原子级性能的均质性以及使用新材料替代MgO和CoFeB，MTJ元件的性能有望得到改善。
为了将单晶MTJ元件集成到MRAM中，需要利用晶圆直接键合等三维堆叠技术。三维堆叠技术在半导体器件领域拥有良好的记录，但尚未建立用于MTJ元件的堆叠技术。由于MgO隧道势垒的机械强度较弱，因此应用三维堆叠工艺对MTJ器件造成机械损伤在技术上极其困难。迄今为止，AIST已开发出使用多晶MTJ薄膜的三维堆叠工艺（AIST 新闻公告 2017 年 5 月 16 日）。此次，我们开发了一种将新材料制成的单晶MTJ元件集成到MRAM中的技术，采用MTJ元件的三维堆叠技术，在适合批量生产的300毫米工艺中。
这项研发得到了内阁府创新研发促进计划 (ImPACT)“实现无需充电即可长期使用的终极生态 IT 设备 (2014-2018)”以及经济产业省和新能源产业省推动的“后 5G 信息通信系统基础设施强化研究开发项目”(JPNP20017) 的支持技术开发组织（NEDO）。
图1显示了新开发的三维堆叠工艺技术的概述。步骤1，在直径为300 mm的单晶硅片上通过外延生长的方式沉积单晶MTJ薄膜（图2（a））。迄今为止，单晶 MTJ 薄膜仍处于研究阶段，使用小型单晶基板。通过开发这种薄膜生产技术，AIST首次成功在300毫米晶圆上生产单晶MTJ薄膜，为大规模生产奠定了基础。此外，利用外延生长可以相对自由地使用新材料，我们开发了更高质量的尖晶石氧化物MgAl2O4制造隧道势垒层所制备的 MTJ 薄膜横截面的电子显微照片如图 2（b）所示。所制备的单晶MTJ薄膜由MgAl2O4隧道势垒层与Co/Fe铁磁电极层之间的界面在原子水平上平坦，晶格中几乎没有缺陷。这是与 MgO 相比晶格一致性优质镁铝2O4的特性，制作出了极高品质的单晶MTJ薄膜。
图1 单晶MTJ元件三维堆叠过程
接下来，与步骤②③一样，我们在单晶MTJ薄膜晶圆和单独准备的MRAM LSI晶圆之间进行直接键合。这里，AIST独立开发了钽盖层的表面平坦化技术实现原子级平坦的薄膜表面，我们首次成功将单晶MTJ薄膜直接键合到晶圆上。在第四步，硅剥离工艺中，我们使用独特配方的碱性溶液进行湿法刻蚀，成功去除了背面硅片而不损坏单晶MTJ薄膜。
图2（a）在直径为300毫米的硅片上制造的单晶MTJ薄膜。
(b)单晶MTJ薄膜截面的透射电子显微照片
接下来，在步骤5中，对MTJ薄膜进行微加工，形成直径约为25nm的圆柱形MTJ元件。最后，在步骤⑥中，通过制作电介质和上层金属布线，我们首次成功地将纳米级单晶MTJ元件集成到STT-MRAM LSI中。制作的LSI截面的电子显微镜照片如图3(a)和(b)所示。已经实现了将纳米级单晶MTJ元件嵌入多晶金属布线和非晶电介质材料中的结构。为了确认 MTJ 元件即使在经过 3D 堆叠工艺后仍保持单晶状态，MgAl2O4隧道势垒层和上下电极层纳米束电子衍射观察到（图3（c））。如图所示，我们观察到以格子图案排列的电子衍射斑点，并确认MTJ元件保持了没有晶界的单晶。我们还证实，所开发的单晶 MTJ 元件的性能变化小于传统多晶 MTJ 元件的性能变化。
图 3 (a) LSI 横截面的电子显微照片。 (b) MTJ 元件周围放大的电子显微照片。 (c) 纳米束电子衍射图像
未来，我们计划开发使用新材料作为铁磁电极的单晶MTJ元件，并将其作为超精细MRAM和电压驱动MRAM的基础技术。此外，本次开发的工艺技术不仅可以广泛应用于MTJ器件，还可以广泛应用于其他隧道结器件。与MTJ器件一样是典型的隧道结器件约瑟夫森路口作为构成超导量子计算机的量子比特的基础技术而备受关注。目前，全球范围内正在积极开展超导量子计算机的规模化研发，退相干时间是重要问题之一。目前，量子位的约瑟夫森结是非晶态使用隧道势垒和多晶超导电极。通过应用本次开发的工艺技术，我们计划将约瑟夫森结单晶化并引入新材料，旨在开发具有长退相干时间的量子比特。