酸素ラジカル処理による高性能高信頼性1Tr型強誘電体メモリ

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本研究は、高速動作、低消費電力、非破壊読み出し、高密度という特徴を兼ね備えた不揮発性メモリとしての期待が高く、且つ、究極のメモリと言われる、1トランジスタ型強誘電体メモリの実現を目的として行われ、これに必要な要素技術を開発しこれに貢献した。本メモリの最大の課題はデータ保持特性の向上、及び、微細化実現の二つである。データ保持特性向上の観点からは、強誘電体をアモルファス絶縁膜上に形成する構造の方が(Metal-Ferroelectric-Insulator-Si構造、MFIS構造)、強誘電体をメタル上に形成する構造(MFMIS構造)よりもリーク電流の低減か可能であることから有利である。さらに、微細化という観点からはフローティングゲートメタルを用いないMFIS構造が有利である。しかし、この構造の場合、強誘電体膜を例えばアモルファス酸化膜などの絶縁膜上に結晶化しなければならず、1トランジスタ型強誘電体メモリ用の最有力候補材料であるSTNを酸化膜上に結晶化する技術は、(量産性を考えた現実的な成膜手法であるプラズマプロセスにおいては)これまで報告されていない。マイクロ波励起プラズマシステムによる強誘電体膜の酸素欠損修復(酸化)技術を開発した(酸素ラジカル処理)。RfスパッタによるST膜成膜と酸素ラジカル処理を繰り返し行う新プロセスの開発(Ferroelectric-Multilayer-Stack成膜)により、100nmの極薄STN膜をアモルファス酸化膜上に結晶化する技術を開発した。さらに、STN膜の結晶化を促進するための成膜条件をプラズマ物理に基づいたイオン照射エネルギーなどのパラメータで定義することに初めて成功した。すなわち、強誘電体膜の形成(結晶化促進)には、酸素ラジカルによる酸素欠損の低減と、成膜中のイオン照射エネルギーの供与が最も重要であることを示すとともに、強誘電体ゲート構造FETの作製とその動作まで実現した。