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，我们重点研究了利用氧化物半导体原子层沉积的成膜技术，这是实现氧化物半导体和三维结构存储器的三维集成所必需的。具体而言，我们发现了In、Ga、Zn和Sn的单元素氧化物的形成条件，并首先对使用单元素氧化物半导体In2O3的存储器件进行了研究和开发。通过EB拉丝和干法刻蚀在硅衬底上形成直径小于100nm、深度约200nm的沟槽结构，在其上形成HfO2基铁电薄膜，然后利用显影剂形成In2O3。通过形成薄膜并对其进行处理，我们制造了原型垂直沟道铁电晶体管（FeFET）存储器。关于电特性，获得了表现出铁电磁滞的存储特性，并且获得了1.5V以上的良好存储窗口值。此外，还获得了 10^3 或以上的写入时间和 10^3 秒或以上的保留时间的良好值。对于高密度、低功耗存储存储器件来说，这个结果可以说是一个有前途的特性。此外，我们提出了一种使用反铁电半环磁滞作为改善氧化物半导体 FeFET 擦除特性的方法，并使用与 FeFET 相同的工艺制作了 AFeFET 原型。在这里，我们也能够从设备模拟中获得预期的内存特性。此外，通过使用第一原理计算和电子束衍射图方法，我们发现，在成膜过程中处于面内取向的HfO2基铁电材料，通过施加电压应力而变得垂直于平面取向。实验和理论上。这一结果表明，即使在三维结构中也可以有效地利用铁电性。上述研究成果已成为明年及以后实现三维集成和三维结构存储器件的重要基础技术。

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）

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;Masaharu Kobayashi
通讯作者：
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：
糸矢祐喜;藤原弘和;Bareille Cedric;辛埴;谷内敏之;小林正治
通讯作者：
小林正治

3D NAND Memory Operation of Oxide-Semiconductor Channel FeFETs

氧化物半导体通道 FeFET 的 3D NAND 存储器操作

DOI：
发表时间：
2023
期刊：
影响因子：
0
作者：
Junxiang Hao; Xiaoran Mei; Takuya Saraya; Toshiro Hiramoto; Masaharu Kobayashi
通讯作者：
Masaharu Kobayashi

A Simulation Study on Memory Characteristics of Oxide-Semiconductor Channel Antiferroelectric FETs Using Half-Loop Hysteresis

利用半环磁滞的氧化物半导体沟道反铁电FET存储特性的仿真研究

DOI：
发表时间：
2023
期刊：
影响因子：
0
作者：
Xingyu Huang; Yuki Itoya; Zhuo Li; Takuya Saraya; Toshiro Hiramoto; Masaharu Kobayashi
通讯作者：
Masaharu Kobayashi

A 3D Vertical-Channel Ferroelectric/Anti-Ferroelectric FET With Indium Oxide

具有氧化铟的 3D 垂直沟道铁电/反铁电 FET

DOI：
10.1109/led.2022.3184316
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
4.9
作者：
Li Zhuo;Wu Jixuan;Mei Xiaoran;Huang Xingyu;Saraya Takuya;Hiramoto Toshiro;Takahashi Takanori;Uenuma Mutsunori;Uraoka Yukiharu;Kobayashi Masaharu
通讯作者：
Kobayashi Masaharu