強誘電体ゲートFET型不揮発メモリ素子の高品質化とその回路応用

提高铁电栅FET型非易失性存储器件及其电路应用的质量

• 批准号: 04J02588
• 负责人: 高橋 光恵
• 金额: $ 0.77万
• 依托单位: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2004
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2004 至 无数据
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-04J02588/
• 关键词: 強誘電体ゲートFET; 1T FeRAM; MFIS FET; 自己整合ゲート; 保持特性; ゲート積層構造; 強誘電体; 不揮発メモリ

(1)バッファ絶縁体層の組成の最適化Pt/SrBi_2Ta_2O_9(SBT)/(HfO_2)、(Al_2O_3)_<1-x>(HfAlO)/Si構造を持つMFIS FETは良いデータ保持特性を示すことが既に報告されている[S.Sakai and R.Ilangovan, IEEE Electron Device Lett.,25(1997),369.]。MFIS FETにおいては、バッファ層の比誘電率が高いほど強誘電体層により多くのゲート電圧が分配されるためにMFIS FETのメモリウィンドウを拡げる効果が期待でき、また、バッファ層のゲートリーク電流が低いほど強誘電体-絶縁体界面への半導体層側からの電荷注入を抑制できるためにMHSFETのデータ保持特性を良くすると考えられる。本研究では、HfAlOの組成比xの異なるPt/HfAlO/Si金属-絶縁体-半導体(MIS)構造を持つMIS FETを多数作製してそれらの諸特性を評価し、比誘電率が高くかつゲートリーク電流を減少させるのに最も効果的な絶縁体層の組成比を電気的特性の測定結果、X線回折像、透過電子顕微鏡像を解析することにより調べた。その結果、x=0.75近傍のHfAlOがMHS FETのバツファ絶縁体として最も適していることが分かった。(2)自己整合ゲート技術を用いたMFIS FETにおける良好なデータ保持特性の実現MFIS FET研究では従来、データ保持時間が短い等、材料の選択を含めた作製プロセス上の難しさに起因する課題の解決を優先する初期段階にあったため、ゲート積層構造のエッチングやイオン注入によるダメージがゲート直下の積層構造に与える影響を少なく出来る非自己整合ゲート方式を採用するのが一般的であった。しかし非自己整合ゲート方式のままでは素子微細化に限界があるため、将来、MFIS FETを半導体集積回路に応用するためには自己整合ゲート方式を採用することが必須である。本研究では、Pt/SBT/(HfO_2)_<0.75>(Al_2O_3)_<0.25>/SiMFISゲート積層構造形成後に自己整合ゲート方式でイオン注入を行うことによりMFIS FETを作製し、データ書き込み後10日間経過しても10^5以上の大きなON/OFFドレイン電流比を保持できることを確認した。

(1)具有Pt/SrBi_2Ta_2O_9(SBT)/(HfO_2)、(Al_2O_3)_<1-x>(HfAlO)/Si结构的缓冲绝缘层MFIS FET的成分优化已经表现出良好的数据保持特性。报道[S.Sakai 和 R.Ilangovan, IEEE Electron Device Lett., 25(1997), 369.]。在MFIS FET中，缓冲层的介电常数越高，分配到铁电层的栅极电压就越多，这可以预期具有扩大MFIS FET的存储窗口的效果，并且还可以减少栅极漏电流认为该值越低，MHSFET的数据保持特性越好，因为可以抑制从半导体层侧到铁电体-绝缘体界面的电荷注入。在这项研究中，我们制造了大量具有不同HfAlO成分比x的Pt/HfAlO/Si金属-绝缘体-半导体（MIS）结构的MIS FET，并评估了它们的各种特性中最重要的绝缘体层的成分比。通过分析电特性测量、X射线衍射图像和透射电子显微镜图像，研究了减少漏电流的有效方法。结果发现，x=0.75附近的HfAlO最适合作为MHS FET的缓冲绝缘体。 (2) 使用自对准栅极技术在 MFIS FET 中实现良好的数据保持特性 在 MFIS FET 研究中，由于包括材料选择在内的制造过程中的困难，诸如数据保持时间短等传统问题已经得到解决。在优先解决方案的早期阶段，通常采用非自对准栅极方法，这种方法可以减少栅极堆叠结构上的蚀刻或离子注入对栅极正下方的堆叠结构造成的损坏的影响。然而，如果使用非自对准栅极方法，器件的小型化会受到限制，因此为了将来将MFIS FET应用于半导体集成电路，必须采用自对准栅极方法。在本研究中，我们在形成Pt/SBT/(HfO_2)_<0.75>(Al_2O_3)_<0.25>/SiMFIS栅极堆叠结构后，通过使用自对准栅极方法进行离子注入来制造MFIS FET，并且我们证实即使经过几天后，仍然可以保持超过 10^5 的大开/关漏极电流比。

项目成果

Pt/SrBi_2Ta_2O_9/Hf-Al-O/Si field-effect-transistor with long retention using unsaturated ferroelectric polarization switching

使用不饱和铁电极化开关实现长保持力的 Pt/SrBi_2Ta_2O_9/Hf-Al-O/Si 场效应晶体管

• 发表时间: 2004
• 期刊: Japanese Journal of Applied Physics vol.43,No.11B
• 作者: Shigeki Sakai;Rajangam Ilangovan;Mitsue Takahashi
• 通讯作者: Mitsue Takahashi

Long-Retention Ferroelectric-Gate FET with a (HfO_2)_x(Al_2O_3)_<1-x> Buffer-Insulating Layer for 1T FeRAM

用于 1T FeRAM 的具有 (HfO_2)_x(Al_2O_3)_<1-x> 缓冲绝缘层的长保持铁电栅极 FET

• 发表时间: 2004
• 期刊: IEEE International Electron Devices Meeting Technical Digest 50^<th>,2004
• 作者: Shigeki Sakai;Mitsue_Takahashi;Rajangam Ilangovan
• 通讯作者: Rajangam Ilangovan

Ferroelectric FET with a Pt/SrBi_2Ta_2O_9/HfAlO/Si gate stack for 1T FeRAM

用于 1T FeRAM 的具有 Pt/SrBi_2Ta_2O_9/HfAlO/Si 栅极堆叠的铁电 FET

• 发表时间: 2004
• 期刊: Proceedings of The 2004 International Electron Devices and Materials Symposia 2004
• 作者: Shigeki Sakai;Mitsue Takahashi
• 通讯作者: Mitsue Takahashi

Ferroelectric Memory PET with Pt/SrBi_2Ta_2O_9/Hf-Al-O/Si Gate Structure

具有Pt/SrBi_2Ta_2O_9/Hf-Al-O/Si栅极结构的铁电记忆PET

• 发表时间: 2004
• 期刊: Extended Abstracts of 2004 International Workshop on Dielectric Thin Films for Future ULSI Devices - Science and Technology 2004
• 作者: Shigeki Sakai;Rajangam Ilangovan;Mitsue Takahashi
• 通讯作者: Mitsue Takahashi