強誘電体薄膜の物性制御と次世代メモリデバイスへの応用

铁电薄膜物理性质的控制及其在下一代存储器件中的应用

• 批准号: 12134205
• 负责人: 奥山 雅則
• 金额: $ 28.61万
• 依托单位: Osaka University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
• 财政年份: 2000
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2000 至 2003
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-12134205/
• 关键词: 強誘電体; 先端機能デバイス; 電子・電気材料; 表面・界面物性; メモリデバイス; MFIS構造; 不揮発性メモリ; SrBi_2Ta_2O_9(SBT); 保持特性; 酸素アニール; 界面特性; イオン化ポテンシャル; Sr_2(Ta_<1-x>,Nb_x)_2O_7(STN)

Pulsed Laser Deposition(PLD)法により製膜したSrBi_2Ta_2O_9(SBT)薄膜を用いたMetal-Ferroelectric-Insulator-Semiconductor(MFIS)構造においてRapid Thermal Annealing(RTA)を行うことにより良好な静電容量保持特性が得られており、このゲート形成プロセスを用いたMFIS-FETを新たに考案し試作を行った。試作したp-Channel FETのId-Vg特性において強誘電体分極ヒステリシスによって制御されたId-Vgヒステリシスが観測され、メモリウインドウは約1.5Vであった。IdのON/OFF比はSBT強誘電体薄膜を形成する以前のMOSFETと同等の7桁以上と非常に良好な特性が得られた。データ保持時間は10^3秒以上が確認された。一方、さらなる特性の向上を目指し、強誘電体膜成長中の拡散バリアとなり良好な表面チャネルキャリア移動度を与えるI層として酸窒化膜を採用し、その最適化を行った。Si基板上に3種類の窒化膜:1)N_2O雰囲気中での熱酸窒化膜、2)Cat-CVD法による表面窒化酸化膜、3)Plasma CVDによる表面窒化酸化膜、を形成し1)SiON/Si,2),3)SiON/SiO_2/Si構造を作製し評価した。その結果、Cat-CVD法による酸窒化膜は表面に窒素が偏在し、拡散バリア性の向上、リーク電流のプールフレンケル成分の低減、等が見られた。また、Plasma窒化法による酸窒化膜は比較的膜内部にも窒素が含有され、膜全体としてバリア性も高いと考察された。また窒化時間により表面付近窒素含有量を制御できた。これら窒化膜をI層として用いる場合のMFIS-FETプロセスフローも提案、検討した。さらに前年度から強誘電体-絶縁体界面伝導電流を利用した新構造ゲートFETメモリの提案、検討を進めており、強誘電体分極ヒステリシスに対応するId-Vgヒステリシス特性、IdのON/OFF比約2桁が得られた。本構造はSi以外の基板への応用が可能でありPt金属上でのヒステリシスも確認されている。

Pulsed Laser Deposition(PLD) method によ film production たSrBi_2Ta_2O_9(SBT) thin film を construction にお て てRapid using <s:1> たMetal-Ferroelectric-Insulator Semiconductor(MFIS) Thermal Annealing (RTA) line を う こ と に よ り な electrostatic capacity maintain good features が have ら れ て お り, こ の ゲ ー ト form プ ロ セ ス を with い た MFIS - FET を new た に し try test case set を っ た. Attempt し た p - Channel FET の Id - Vg features に お い て strong induced electric polarization ヒ ス テ リ シ ス に よ っ て suppression さ れ た Id - Vg ヒ ス テ リ シ ス が 観 measuring さ れ, メ モ リ ウ イ ン ド ウ は about 1.5 V で あ っ た. The Id <s:1> ON/OFF is stronger than the <s:1> SBT inductor film を. Before the formation of する, the <s:1> MOSFETと is the same as that of <s:1> 7 stramps or more と, very に good な characteristics が obtain られた. Youdaoplaceholder0 デ タ タ hold for more than 10^3 seconds が confirm された. Party, さ ら な る features の upward を refers し, strong growth induced electricity body membrane の company, scattered バ リ ア と な り good な surface チ ャ ネ ル キ ャ リ ア を mobile degrees and え る I layer と し て acid smothering film を し, そ の line optimization を っ た. Si substrate に 3 kinds の smothering film: 1) the N_2O 雰 囲 気 で in smothering の hot acid membrane and 2) the Cat - CVD method に よ る surface smothering acidification membrane, 3) Plasma CVD に よ る surface smothering acidification film, を form し 1) SiON/Si, 2), 3) SiON/SiO_2 / Si し evaluation of the tectonic を cropping 価 し た. そ の results, Cat - CVD method に よ smothering る acid membrane は surface に smothering が partial in し, company, scattered バ リ ア の upward, リ ー ク current の プ ー ル フ レ ン ケ ル composition の is low, reduce, see が ら れ た. ま た, Plasma smothering polarization method に よ smothering る acid membrane は comparison of membrane internal に も が smothering element contains さ れ, membrane all と し て バ リ ア も high い と investigation さ れ た. Youdaoplaceholder0 nitrification time によ surfactant content を control で た た た. <s:1> れら nitrized film をI layer と て て in the case of <s:1> る application of <s:1> MFIS-FETプロセスフロ れら た proposal, 検 discussion of た. さ ら に before annual か ら strong electric lure body - never try body interface 伝 conductive flow を using し た neotectonic ゲ ー ト FET メ モ リ の proposals, beg を 検 into め て お り, strong induced electric polarization ヒ ス テ リ シ ス に 応 seaborne す る Id - Vg ヒ ス テ リ シ ス characteristics, Id の ON/OFF about 2 truss が than ら れ た. This construction is carried out on a <s:1> substrate other than <s:1> Si, へ 応, 応, and is confirmed by が possibly on であ, <s:1>, ヒステリシス, る, on Pt metal, されて, されて る る る る る る る る る る る. Youdaoplaceholder7

项目成果

A.Shibuya etc.: "Oxygen Annealing Effects in Natural-Superlattice-Structured Bi_4Ti_3O_<12>-SrBi_4Ti_4O_<15> Ferroelectric Thin Films"Journal of The Korean Physical Society. 42. S1339-S1342 (2003)

A.Shibuya等：“天然超晶格结构Bi_4Ti_3O_<12>-SrBi_4Ti_4O_<15>铁电薄膜中的氧退火效应”韩国物理学会杂志。

M.Takahashi, K.Kodama, M.Noda, P.Hedblom, A.Grishin, M.Okuyama: "Oxygen Annealing Effect of Photoelectron Spectra in SrBi_2Ta_2O_9 Film"Japanese Journal of Applied Physics. 41, No.11B. 6797-6802 (2002)

M.Takahashi、K.Kodama、M.Noda、P.Hedblom、A.Grishin、M.Okuyama：“SrBi_2Ta_2O_9 薄膜中光电子光谱的氧退火效应”日本应用物理学杂志。

H.Funakubo, K.Tokita, T.Oikawa, M.Aratani, K.Saito: "Comparison of Crystal Structure and Electrical Properties of Tetragonal and Rhombohedral Pb(Zr, Ti)O_3 Films Prepared at Low Temperature bu Pulsed-Metalorganic Chemical Vapor Deposition"Journal of Appli

H.Funakubo、K.Tokita、T.Oikawa、M.Aratani、K.Saito：“脉冲金属有机化学蒸气低温制备的四方晶系和菱形晶系 Pb(Zr, Ti)O_3 薄膜的晶体结构和电性能比较

M.Okuyama, H.Sugiyama, T.Nakaiso, M.Noda: "Retention Analysis of the Memorized States of the MFIS Structure for Ferroelectric-Gate FET Memory by Considering Leakage Current Through Ferroelectric and Insulator Layers"Integrated Ferroelectrics. Vol.34. 37-4

M.Okuyama、H.Sugiyama、T.Nakaiso、M.Noda：“考虑通过铁电体和绝缘体层的漏电流，对铁电栅 FET 存储器的 MFIS 结构的记忆状态进行保留分析”集成铁电体。

M.Okuyama,M.Takahashi,K.Kodama,T.Nakaiso and M.Noda: "An Analysis of Effects of Device Structures on Retention Characteristics in MFIS Structures"Journal of Institute of Electrical and Electronics Engineers. (In press). (2001)

M.Okuyama、M.Takahashi、K.Kodama、T.Nakaiso 和 M.Noda：“器件结构对 MFIS 结构保留特性的影响分析”电气电子工程师学会期刊。