酸化物半導体と強誘電体HfO2の融合による三次元集積デバイスとその応用技術の創出

氧化物半导体与铁电HfO2融合构建三维集成器件及其应用技术

• 批准号: 21H04549
• 负责人: 小林 正治
• 金额: $ 27.46万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-05 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H04549/
• 关键词: 酸化物半導体; 三次元集積; メモリデバイス; 強誘電体; メモリ; 原子層堆積法; 集積デバイス

今年度は、酸化物半導体の三次元集積および三次元構造メモリの実現に必要な、酸化物半導体の原子層堆積法による成膜技術を中心に研究を進めた。具体的には、In、Ga、Zn、Snの単元素酸化物の成膜条件を見出し、まずは単元素酸化物半導体であるIn2O3を用いたメモリデバイスの研究開発を行った。シリコン基板上にEB描画とドライエッチングで形成した直径100nm未満深さ200nm程度のトレンチ構造を形成し、そこにHfO2系強誘電体を成膜し、次に開発したIn2O3を原子層堆積層で成膜し、プロセス加工することで、垂直チャネル型の強誘電体トランジスタ(FeFET)メモリを試作した。電気特性では、強誘電性のヒステリシスを示すメモリ特性が得られ、メモリウィンドウとして1.5V以上の良好な値が得られた。また書き込み10^3以上、保持時間10^3秒以上の良好な値が得られた。この結果は高密度・低消費電力なストレージ用メモリデバイスとして有望な特性といえる。さらに今回、酸化部半導体のFeFETの消去特性を改善する方法として反強誘電体のハーフループヒステリシスを用いる手法を提案し、FeFETと同様のプロセスによりAFeFETを試作した。こちらもデバイスシミュレーションの予想通りのメモリ特性を得ることができた。その他には、第一原理計算と電子線回折マッピング法を用いることにより、HfO2系強誘電体が、成膜時には面内配向しているものが、電圧ストレスを印可することで面直配向することが実験・理論の両面から明らかとなった。この結果は三次元構造でも強誘電性を有効に生かせることを示唆している。以上の研究成果は次年度以降の三次元集積および三次元構造メモリデバイスの実現にとって重要な基盤技術となった。

This year, the three-dimensional aggregation and three-dimensional structure of acid semiconductor are necessary for the realization of the atomic layer deposition method of acid semiconductor. Specific film formation conditions for In, Ga, Zn, Sn mono-element acids have been identified, and research on the use of In2O3 mono-element acids in semiconductor has been carried out. EB drawing on a substrate with a diameter of 100nm and a depth of about 200nm was formed. HfO2-based ferroelectric film was formed. In the second stage, In2O3 atomic layer deposition layer was formed. In the third stage, vertical ferroelectric film (FeFET) was formed. The electrical characteristics are excellent, and the electrical characteristics are excellent above 1.5V. Good values for books above 10^3 and holding times above 10^3 seconds are obtained. The result is high density and low power consumption. A method for improving the elimination characteristics of FeFET in current and acidified semiconductors is proposed. This is the first time I've ever seen a person who's been in a relationship with someone who's been in a relationship with someone else. In addition, the first principle calculation and the electron line folding method are used in the case of HfO2-based ferroelectric, and the in-plane alignment is used in the case of film formation. As a result, the three-dimensional structure is strongly induced. The above research results are important for the realization of three-dimensional integration and three-dimensional structure in the next year.

项目成果

酸化物半導体を用いた三次元集積メモリデバイスの研究動向

氧化物半导体三维集成存储器件的研究趋势

• 发表时间: 2022
• 作者: 矢代航;梁暁宇;Wolfgang Voegeli;白澤徹郎;米山明男;Yasutaka Fujimoto;加藤明樹;鈴木左文;小林正治
• 通讯作者: 小林正治

A Vertical Channel Ferroelectric/Anti-Ferroelectric FET with ALD InOx and Field-Induced Polar-Axis Alignment for 3D High-Density Memory

用于 3D 高密度存储器的具有 ALD InOx 和场感应极轴对准的垂直通道铁电/反铁电 FET

• 发表时间: 2022
• 作者: Zhuo Li;Jixuan Wu;Xiaoran Mei;Xingyu Huang;Takuya Saraya;Toshiro Hiramoto;Takanori Takahashi;Mutsunori Uenuma;Yukiharu Uraoka;and Masaharu Kobayashi
• 通讯作者: and Masaharu Kobayashi

Device modeling of oxide?semiconductor channel antiferroelectric FETs using half-loop hysteresis for memory operation

使用半环磁滞进行存储器操作的氧化物半导体通道反铁电 FET 的器件建模

• DOI: 10.35848/1347-4065/acac3b
• 发表时间: 2023
• 期刊: Japanese Journal of Applied Physics
• 影响因子: 1.5
• 作者: Huang Xingyu;Itoya Yuki;Li Zhuo;Saraya Takuya;Hiramoto Toshiro;Kobayashi Masaharu
• 通讯作者: Kobayashi Masaharu

レーザー励起光電子顕微鏡を用いたHfO2系強誘電体キャパシタの絶縁破壊に関する評価

使用激光激发光电子显微镜评估 HfO2 基铁电电容器的介电击穿

• 发表时间: 2023
• 作者: Yamaguchi Shingi;Watanabe Kentaroh;Minegishi Tsutomu;Sugiyama Masakazu;Natsumi Morita;糸矢祐喜，藤原弘和，Bareille Cedric，辛埴，谷内敏之，小林正治
• 通讯作者: 糸矢祐喜，藤原弘和，Bareille Cedric，辛埴，谷内敏之，小林正治

Modeling and Simulation of Antiferroelectric FETs with Oxide Semiconductor Channel Using Half-Loop Hysteresis for Memory Applications

使用半环磁滞对存储器应用中具有氧化物半导体通道的反铁电 FET 进行建模和仿真

• 发表时间: 2022
• 作者: Xingyu Huang;Yuki Itoya;Zhuo Li;Takuya Saraya;Toshiro Hiramoto;and Masaharu Kobayashi
• 通讯作者: and Masaharu Kobayashi