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Investigation of novel multi-level non-volatile memory devices using ferroelectric hafnium oxide based materials for artificial synapse devises

Research Project

Project/Area Number 21J01667
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Review Section Basic Section 21050:Electric and electronic materials-related
Research InstitutionThe University of Tokyo (2022)
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (2021)

Principal Investigator

女屋 崇  東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 助教

Project Period (FY) 2021-04-28 – 2024-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Keywordsハフニウムジルコニウム酸化膜 / 強誘電体 / 界面制御 / 酸素欠損 / 分極疲労 / 硬X線光電子分光法 / 強誘電体メモリ / 原子層堆積法 / 強誘電体トランジスタ / ハフニア / ジルコニア / 低温形成 / 金属/強誘電体/半導体
Outline of Research at the Start

本研究では、人工知能(AI)実現へ向けたキーテクノロジーの一つであるニューロモーフィックコンピューティングに着目し、その構成要素である人工シナプス素子へ向けた高性能不揮発性多値メモリとして動作可能な強誘電体ゲート薄膜トランジスタ(TFT)の実現を目指す。
具体的には、強誘電体材料として更なる微細化を推し進める新規材料として注目を集めているHfxZr1-xO2 (HZO)薄膜を採用して、デバイスの構造や作製プロセスに着目しながら強誘電体ゲートTFTの高性能化を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

HfxZr1-xO2膜を強誘電体膜として用いた次世代強誘電体デバイスの実用化に向けて、今年度は分極反転回数の増加に伴い残留分極値が減少する分極疲労メカニズムの解明に取り組んだ。
これまで、HfxZr1-xO2膜を用いた強誘電体デバイスは、分極反転回数の増加に伴いHfxZr1-xO2膜へ新たな酸素欠損が形成され、これら酸素欠損により分極ドメインがピン止めされることで分極疲労が生じると考えられていた。しかし、これら分極疲労に寄与する新たな酸素欠損の生成起源に関して実験的に明らかにした例はなかった。そこで、異なる分極反転サイクルを印加したTiN/HfxZr1-xO2/TiNキャパシタのHfxZr1-xO2/TiN界面での反応に着目して、放射光X線を用いた硬X線光電子分光法(HAXPES)によりHfxZr1-xO2/TiN下部電極界面の化学結合状態を評価することで酸素欠損の生成起源を調べた。その結果、分極疲労時にHfxZr1-xO2膜からTiN下部電極側へ酸素が供給されたことでHfxZr1-xO2/TiN下部電極界面に酸素リッチなTiOxNy層が形成されていることが分かった。一方、HfxZr1-xO2膜ではTiOxNy層の形成に伴いドメインのピン止め効果に寄与する酸素欠損が増加したために、結果として分極疲労が生じたと考えられる。
以上より、HfxZr1-xO2膜の分極疲労を抑制するためにはHfxZr1-xO2膜と電極界面における酸素の動きを制御することが重要であることが示唆された。

Research Progress Status

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Report

(2 results)
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Annual Research Report
  • Research Products

    (32 results)

All 2023 2022 2021 Other

All Int'l Joint Research (2 results) Journal Article (6 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 6 results,  Open Access: 1 results) Presentation (22 results) (of which Int'l Joint Research: 9 results,  Invited: 1 results) Patent(Industrial Property Rights) (2 results) (of which Overseas: 1 results)

  • [Int'l Joint Research] The University of Texas at Dallas/Brookhaven National Laboratory(米国)

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    • Author(s)
      Onaya Takashi、Nabatame Toshihide、Inoue Mari、Sawada Tomomi、Ota Hiroyuki、Morita Yukinori
    • Journal Title

      APL Materials

      Volume: 10 Issue: 5 Pages: 051110-051110

    • DOI

      10.1063/5.0091661

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  • [Journal Article] Relaxation Induced by Imprint Phenomena in Low-Temperature (400 °C) Processed Hf<sub>0.5</sub>Zr<sub>0.5</sub>O<sub>2</sub>-Based Metal-Ferroelectric-Metal Capacitors2022

    • Author(s)
      Mohan Jaidah、Jung Yong Chan、Hernandez-Arriaga Heber、Kim Jin-Hyun、Onaya Takashi、Sahota Akshay、Hwang Su Min、Le Dan N.、Kim Jiyoung、Kim Si Joon
    • Journal Title

      ACS Applied Electronic Materials

      Volume: 4 Issue: 4 Pages: 1405-1414

    • DOI

      10.1021/acsaelm.1c01241

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  • [Journal Article] Study of SiO2 Interfacial Layer Growth during Fabrication Process of Ferroelectric HfxZ1-xO2-Based Metal-Ferroelectric Semiconductor2021

    • Author(s)
      Onaya Takashi、Nabatame Toshihide、Inoue Mari、Sawada Tomomi、Ota Hiroyuki、Morita Yukinori
    • Journal Title

      ECS Transactions

      Volume: 104 Issue: 4 Pages: 129-135

    • DOI

      10.1149/10404.0129ecst

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  • [Journal Article] (Invited) Study of HfO2-Based High-k Gate Insulators for GaN Power Device2021

    • Author(s)
      Nabatame Toshihide、Maeda Erika、Inoue Mari、Hirose Masafumi、Ochi Ryota、Sawada Tomomi、Irokawa Yoshihiro、Hashizume Tamotsu、Shiozaki Koji、Onaya Takashi、Tsukagoshi Kazuhito、Koide Yasuo
    • Journal Title

      ECS Transactions

      Volume: 104 Issue: 4 Pages: 113-120

    • DOI

      10.1149/10404.0113ecst

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  • [Journal Article] Importance of Annealing Step on Dielectric Constant of ZrO2 Layer of MIM Capacitors with Al2O3/ZrO2 and ZrO2/Al2O3 Stack Structures2021

    • Author(s)
      Sawada Tomomi、Nabatame Toshihide、Onaya Takashi、Inoue Mari、Ohi Akihiko、Ikeda Naoki、Tsukagoshi Kazuhito
    • Journal Title

      ECS Transactions

      Volume: 104 Issue: 4 Pages: 121-128

    • DOI

      10.1149/10404.0121ecst

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  • [Journal Article] Influence of HfO2 and SiO2 interfacial layers on the characteristics of n-GaN/HfSiOx capacitors using plasma-enhanced atomic layer deposition2021

    • Author(s)
      Nabatame Toshihide、Maeda Erika、Inoue Mari、Hirose Masafumi、Irokawa Yoshihiro、Ohi Akihiko、Ikeda Naoki、Onaya Takashi、Shiozaki Koji、Ochi Ryota、Hashizume Tamotsu、Koide Yasuo
    • Journal Title

      Journal of Vacuum Science &Technology A

      Volume: 39 Issue: 6 Pages: 062405-062405

    • DOI

      10.1116/6.0001334

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  • [Presentation] TiN下部電極の表面酸化によるTiN/HfxZr1-xO2/TiN強誘電体キャパシタの分極疲労の抑制2023

    • Author(s)
      女屋 崇, 生田目 俊秀, 森田 行則, 太田 裕之, 右田 真司, 喜多 浩之, 長田 貴弘, 塚越 一仁, 松川 貴
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      電子デバイス界面テクノロジー研究会 -材料・プロセス・デバイス特性の物理- (第28回研究会)
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  • [Presentation] 分極疲労時の強誘電体HfxZr1-xO2/TiN界面反応に起因した酸素欠損生成の起源2023

    • Author(s)
      女屋 崇, 長田 貴弘, 生田目 俊秀, 山下良之, 塚越 一仁, 森田 行則, 太田 裕之, 右田 真司, 喜多 浩之
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      第70回応用物理学会春季学術講演会
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  • [Presentation] 最初の電界印加によって誘起されるHf0.5Zr0.5O2薄膜の伝導特性の変化および強誘電化2023

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      森田 行則, 女屋 崇, 浅沼 周太郎, 太田 裕之, 右田 真司
    • Organizer
      第70回応用物理学会春季学術講演会
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      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 機械的な引張歪みの存在下での分極反転に伴うHfO2薄膜の残留分極値の増大の実証2023

    • Author(s)
      井上 辰哉, 女屋 崇, 喜多 浩之
    • Organizer
      第70回応用物理学会春季学術講演会
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      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] アニール時の機械的歪み導入によるHfO2薄膜の強誘電相安定化効果2023

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      安田 滉, 女屋 崇, 喜多 浩之
    • Organizer
      第70回応用物理学会春季学術講演会
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      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 4H-SiC/ゲート絶縁膜界面への窒素導入プロセスの低温化の検討2023

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      佐々木 琉, 中島 辰海, 女屋 崇, 喜多 浩之
    • Organizer
      第70回応用物理学会春季学術講演会
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      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 界面形成手法によるSiO2/β-Ga2O3(001)バンドアライメントの違いの考察2023

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      武田 大樹, 女屋 崇, 生田目 俊秀, 喜多 浩之
    • Organizer
      第70回応用物理学会春季学術講演会
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      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] GaN(0001)基板上でのアモルファスGa2O3膜の熱処理による高配向結晶成長2023

    • Author(s)
      澤田 朋実, 生田目 俊秀, 高橋 誠, 伊藤 和博, 女屋 崇, 色川 芳宏, 小出 康夫, 塚越 一仁
    • Organizer
      電子デバイス界面テクノロジー研究会 -材料・プロセス・デバイス特性の物理- (第28回研究会)
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      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Ferroelectric HfxZr1-xO2-based capacitors with controlled-oxidation surface of TiN bottom-electrode2022

    • Author(s)
      Takashi Onaya, Toshihide Nabatame, Yukinori Morita, Hiroyuki Ota, Shinji Migita, Koji Kita, Takahiro Nagata, Kazuhito Tsukagoshi, and Takashi Matsukawa
    • Organizer
      35th International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC 2022)
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Scaling down to sub-5 nm ferroelectric Hf0.5Zr0.5O2 thin films with anhydrous H2O2 ALD oxidant2022

    • Author(s)
      Yong Chan Jung, Jin-Hyun Kim, Heber Hernandez-Arriga, Dan N. Le, Su Min Hwang, Daniel Alvarez, Jeff Spiegelman, Takashi Onaya, Chang-Yong Nam, Yugang Zhang, Si Joon Kim, and Jiyoung Kim
    • Organizer
      22nd International Conference on Atomic Layer Deposition (ALD 2022)
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Growth of Ga2O3 films on Si and GaN substrates by atomic layer deposition and post-deposition annealing2022

    • Author(s)
      Toshihide Nabatame, Tomomi Sawada, Makoto Takahashi, Kazuhiro Ito, Takashi Onaya, Yoshihiro Irokawa, Yasuo Koide, and Kazuhito Tsukagoshi
    • Organizer
      The 6th International Symposium on Visualization in Joining & Welding Science through Advanced Measurements and Simulation (Visual-JW 2022)
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      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Structural change of Ga2O3 film on GaN(0001) substrate by atomic layer deposition and post deposition annealing2022

    • Author(s)
      Tomomi Sawada, Toshihide Nabatame, Makoto Takahashi, Kazuhiro Ito, Takashi Onaya, Yoshihiro Irokawa, Yasuo Koide, and Kazuhito Tsukagoshi
    • Organizer
      35th International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC 2022)
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      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 異なる酸化剤を用いた原子層堆積法により作製した強誘電体HfxZr1-xO2/TiNの構造評価2022

    • Author(s)
      女屋 崇, 生田目 俊秀, 長田 貴弘, 上田 茂典, Yong Chan Jung, Heber Hernandez-Arriaga, Jaidah Mohan, Jiyoung Kim, Chang-Yong Nam, Esther H. R. Tsai, 喜多 浩之, 右田 真司, 太田 裕之, 森田 行則
    • Organizer
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
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      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 強誘電性の向上へ向けたTiN/HfxZr1-xO2界面のTiOxNy層の重要性2022

    • Author(s)
      女屋 崇, 生田目 俊秀, 長田 貴弘, 上田 茂典, Y. C. Jung, H. Hernandez-Arriaga, J. Mohan, J. Kim, C.-Y. Nam, E. H. R. Tsai, 太田 裕之, 森田 行則
    • Organizer
      電子デバイス界面テクノロジー研究会 -材料・プロセス・デバイス特性の物理- (第27回研究会)
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      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] ZrO2核生成層によるTiN/ZrO2/HfxZr1-xO2/SiO2/Si-MFS構造のSiO2界面層抑制及び強誘電性の改善2022

    • Author(s)
      女屋 崇, 生田目 俊秀, 井上 万里, 澤田 朋実, 太田 裕之, 森田 行則
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  • [Presentation] TiN/ZrO2/Al2O3スタック構造によるZrO2膜の高誘電率化へ向けたチャレンジ2022

    • Author(s)
      澤田 朋実, 生田目 俊秀, 女屋 崇, 井上 万里, 大井 暁彦, 池田 直樹, 塚越 一仁
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  • [Presentation] Effect of Ti Scavenging Layer on Ferroelectricity of HfxZr1-xO2 Thin Films Fabricated by Atomic Layer Deposition using Hf/Zr Cocktail Precursor2021

    • Author(s)
      T. Onaya, T. Nabatame, N. Sawamoto, A. Ohi, N. Ikeda, T. Nagata, and A. Ogura
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      21st International Conference on Atomic Layer Deposition (ALD 2021)
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  • [Presentation] Study of SiO2 Interfacial Layer Growth during Fabrication Process of Ferroelectric HfxZr1-xO2-Based Metal-Ferroelectric-Semiconductor2021

    • Author(s)
      T. Onaya, T. Nabatame, M. Inoue, T. Sawada, H. Ota, and Y. Morita
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      240th ECS Meeting
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  • [Presentation] Study of SiO2 Growth Mechanism Between a Single SiO2 and (HfO2)/(SiO2) Nanolaminate Formation by ALD Using TDMAS and H2O Gas2021

    • Author(s)
      T. Nabatame, M. Inoue, E. Maeda, T. Onaya, M. Hirose, R. Kobayashi, A. Ohi, N. Ikeda, and K. Tsukagoshi
    • Organizer
      21st International Conference on Atomic Layer Deposition (ALD 2021)
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Study of HfO2-based High-k gate Insulators for GaN Power Device2021

    • Author(s)
      T. Nabatame, E. Maeda, M. Inoue, M. Hirose, R. Ochi, T. Sawada, Y. Irokawa, T. Hashizume, K. Shiozaki, T. Onaya, K. Tsukagoshi, and Y. Koide
    • Organizer
      240th ECS Meeting
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  • [Presentation] Importance of Annealing Step on Dielectric Constant of ZrO2 Layer of MIM Capacitors with Al2O3/ZrO2 and ZrO2/Al2O3 Stack Structures2021

    • Author(s)
      T. Sawada, T. Nabatame, T. Onaya, M. Inoue, A. Ohi, N. Ikeda, and K. Tsukagoshi
    • Organizer
      240th ECS Meeting
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] TiN/HfxZr1-xO2/Si-MFS作製におけるSiO2界面層成長の抑制2021

    • Author(s)
      女屋 崇, 生田目 俊秀, 井上 万里, 澤田 朋実, 太田 裕之, 森田 行則
    • Organizer
      第82回応用物理学会秋季学術講演会
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      2021 Annual Research Report
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 強誘電体キャパシタ2023

    • Inventor(s)
      女屋 崇, 森田 行則, 太田 裕之, 生田目 俊秀
    • Industrial Property Rights Holder
      女屋 崇, 森田 行則, 太田 裕之, 生田目 俊秀
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Filing Date
      2023
    • Related Report
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    • Overseas
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 強誘電体キャパシタ2022

    • Inventor(s)
      女屋 崇, 森田 行則, 太田 裕之, 生田目 俊秀
    • Industrial Property Rights Holder
      女屋 崇, 森田 行則, 太田 裕之, 生田目 俊秀
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      2022-092987
    • Filing Date
      2022
    • Related Report
      2022 Annual Research Report

URL: 

Published: 2021-05-27   Modified: 2024-03-26  

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