✅ HfZrO₂系強誘電体の水素工程適合性

✅ Hydrogen Compatibility of HfZrO₂-based Ferroelectrics

1. 背景 / Background

従来の強誘電体FeRAM（特にPZT系）は、CMOSプロセス後工程で使用される水素アニール処理により、特性劣化（インプリント、疲労、分極低下）を引き起こすことが知られている。
Traditional ferroelectric FeRAMs, especially PZT-based ones, are known to suffer from degradation such as imprint, fatigue, and polarization loss when exposed to hydrogen annealing during backend CMOS processing.

2. PZTにおける課題と対策 / Issues with PZT and Mitigations

3. HfZrO₂の水素耐性 / Hydrogen Resistance of HfZrO₂

特性 / Property 内容 / Description
結晶安定性 orthorhombic相が水素下でも保持されやすい
Orthorhombic phase remains stable under H₂  
成膜技術 ALD等により緻密かつ低欠陥な膜形成が可能
Dense, low-defect films via ALD  
キャップ層 TiNなどで水素バリア効果を確保可能
Hydrogen barrier enabled by TiN  
実証事例 CMOS混載FeFETで420 °C H₂アニール動作実績あり
Validated operation under 420 °C H₂ anneal  

HfZrO₂ exhibits robust hydrogen resistance due to its stable orthorhombic phase and compatibility with standard CMOS backend processes, including hydrogen sintering at 420 °C.

4. 実用工程例 / Practical Process Integration

BEOL工程例 / Example BEOL Flow:
  1. HfZrO₂薄膜形成（ALD） / ALD deposition of HfZrO₂
  2. TiNキャップ堆積 / TiN cap deposition
  3. ポストアニール（RTA） / Post-deposition annealing (RTA)
  4. 標準水素シンター（420 °C, H₂/N₂） / Standard H₂ sintering (420 °C)

実用プロセス内で特別な保護膜や制限工程を必要とせず、量産適合性に優れる。
No special barrier or process deviation is required, enabling manufacturable CMOS integration.

5. 比較表 / Comparison Table

項目 / Item PZT HfZrO₂
水素還元耐性 / H₂ Tolerance ×（劣化あり / Degrades） ◎（高耐性 / Highly tolerant）
CMOS整合性 / CMOS Compatibility △（高温＋Pb問題 / High temp, Pb） ◎（低温・ALD適合 / Low-temp, ALD-compatible）
工程制約 / Process Constraint 要バリア＆アニール制限 / Needs barrier, avoid anneal 不要 / None required

6. 最新トレンド：FeRAM vs FeFET / Latest Trend: FeRAM vs FeFET

項目 / Item FeRAM（1T1C） FeFET（1T）
構造 / Structure 1T1C（FET + 強誘電キャパシタ） 1T（FET単体、キャパシタレス）
記録原理 / Principle 分極によるキャパシタ電荷記憶 分極によるFETのしきい値（Vth）シフト
読み出し方式 / Readout 破壊読み出し（リフレッシュ必要） 非破壊読み出し（通常のFET読み出し）
面積効率 / Density 中程度（キャパシタ分必要） 高（SRAM並、1T構成）
CMOS整合性 / CMOS Compatibility 高（特にHfZrO₂使用時） 非常に高い（HfZrO₂ゲート絶縁膜として使用）
主な用途 / Applications 組込みNVM、RTC、MCUなど AI推論、キャッシュ、SoC NVM、インメモリ計算等
実用化状況 / Status 富士通、Lapisなどで組込み量産実績あり GLOBALFOUNDRIES, imec などが開発中（初期量産）

FeFET is emerging as a next-generation ferroelectric memory with better scalability, simpler structure, and superior CMOS compatibility compared to conventional FeRAM.

7. 関連資料 / References