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

基本信息

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

项目摘要

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。

今年，我们使用氧化物半导体的原子层沉积法专注于膜沉积技术，这对于氧化物半导体的三维整合和实现三维结构记忆是必不可少的。具体而言，我们发现了IN，GA，Zn和SN的单位氧化物的膜形成条件，并首次使用单位氧化物半导体In2O3进行了记忆设备的研究和开发。 A trench structure with a diameter of less than 100 nm and depth of about 200 nm was formed on a silicon substrate by EB drawing and dry etching, and an HfO2-based ferroelectric was deposited thereon, and the developed In2O3 was then deposited using an atomic layer deposition layer, and then processed to create a vertical channel type ferroelectric transistor (FeFET) memory.对于电特性，获得了表现出铁电滞后的记忆特性，并作为记忆窗口获得了1.5V或更多的良好值。此外，还获得了写作10^3或以上并保持10^3秒或更长时间的良好价值。该结果是具有高密度和低功耗的存储内存设备的有希望的特征。此外，我们提出了一种使用抗纤维电材料半环滞后的方法，作为改善氧化部分半导体中FeFet的擦除特性的方法，并使用与FEFET相同的过程创建了一个AFEFET。这也能够按照设备模拟的预期实现内存特性。此外，通过使用第一个原理计算和电子衍射映射，从实验和理论的角度揭示了基于HFO2的基于HFO2的铁电机在沉积时将基于HFO2的铁电机定向，但通过施加电压应力将其定向。该结果表明，即使在三维结构中也可以有效地利用铁电特性。从明年开始，上述研究结果已成为实现三维整合和三维结构内存设备的重要基本技术。

项目成果

期刊论文数量（34）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

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

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
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

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
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

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

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
Xingyu Huang;Yuki Itoya;Zhuo Li;Takuya Saraya;Toshiro Hiramoto;and Masaharu Kobayashi
通讯作者：
and Masaharu Kobayashi

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

DOI：
发表时间：
2023
期刊：
影响因子：
0
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