強誘電体-半導体界面構造の解明

2001 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 12134205
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas (B)
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 奥山 雅則 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (60029569)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 金島 岳 大阪大学, 基礎工学研究科, 助手 (30283732) ; 山下 馨 大阪大学, 基礎工学研究科, 助手 (40263230) ; 野田 実 大阪大学, 基礎工学研究科, 助教授 (20294168) ; 舟窪 浩 東京工業大学, 総合理工学研究所, 助教授 (90219080)
• Keywords: 強誘電体 / MFIS構造 / 不揮発性メモリ / SrBi_2Ta_2O_9(SBT) / 保持特性 / 酸素アニール / 界面特性 / イオン化ポテンシャル

Research Abstract

本研究課題は、不揮発性メモリ素子となる(金属/)強誘電体/絶縁膜/半導体ゲート構造(Metal/Ferroelectric/Insulator/Semiconductor : MFIS構造)を主たる対象として、強誘電体-半導体界面構造の解明と同特性の制御を行うことにより同メモリ素子の保持特性、つまりは信頼性を画期的に改善することを目的としている。そのために実験的に上記不揮発性メモリ構造を作製・評価し各層の材料や製膜条件の検討によって特性向上を研究する一方、同構造の電気的特性を計算機で再現しメモリの保持に最適な構造を考察する理論的解析も行っている。本年度は昨年度研究成果を受けて、SrBi_2Ta_2O_9(SBT)強誘電体薄膜を用いた上記構造で保持特性劣化要因を考察しつつ、酸素アニール処理で同膜質、界面特性、そして保持特性の改善を図った。さらに上記構造の保持特性に大きな影響を及ぼすリーク特性を支配する強誘電体界面特性を、独自に試作したイオン化ポテンシャル装置により測定、評価して検討を進めた。
SBTを用いた同構造の保持特性改善では、昨年度SBT製膜後のO_2アニール処理が保持特性を大幅に改善した結果を受け、さらにRapid Thermal Annealingの適用を図った結果、1000℃,30秒の処理で保持時間を1x10^5秒(〜28時間)以上へと昨年度から約1桁の改善が確認できた。また昨年来試作を進めてきたイオン化ポテンシャル装置を用いた評価では、O_2アニール前後のSBT薄膜表面のイオン化ポテンシャルを測定し、XPS測定の結果と合わせてエネルギーバンド図の考察を行った。本測定からアニール前には、SBTへのリークはホール伝導の効果が大きいことが示唆されたが、アニール後ホールに対するバリアが1.6eVから2.0eVへと増大することが明らかとなり、SBTを用いたMFIS構造にO_2アニール処理を施すことによって、リーク電流を減少させ、メモリ保持特性を改善することが出来るという、昨年度来の我々の研究成果を支持する結果を得た。
上記のメモリ保持特性をさらに向上させるために、強誘電体薄膜の膜質、界面特性のさらなる改善が必要であり、そのための薄膜製法、薄膜処理プロセスとして酸素アニール、表面処理等の検討を、イオン化ポテンシャル法を有効に利用しつつ一層進めたい。

Research Products

• [Publications] M.Takahashi, H.Sugiyama, T.Nakaiso, K.Kodama, M.Noda, Masanori Okuama: "Analysis and Improvement of Retention Time of Memorized State of Metal-Ferroelectric-Insulator-Semiconductor Structure for Ferroelectric Gate FET Memory"Japanese Journal of Applied Physics. Vol.40. 2923-2927 (2001)
• [Publications] M.Okuyama, H.Sugiyama, T.Nakaiso, M.Noda: "Retention Analysis of the Memorized States of the MFIS Structure for Ferroelectric-Gate FET Memory by Considering Leakage Current Through Ferroelectric and Insulator Layers"Integrated Ferroelectrics. Vol.34. 37-46 (2001)
• [Publications] H.Sugiyama, K Kodama.T.Nakaiso.M.Noda, M.Okuvama: "Electrical Properties of Metal-Ferroelectric-Insulator-Semiconductor-FET using SrBi_2Ta_2O_9 Film prepared at Low Temperature by Pulsed Laser Deposition"Integrated Ferroelectrics. Vol.34. 89-91 (2001)
• [Publications] K.Kodama, M.Takahashi, M.Noda, M.Okuyama: "Improved Retention Characteristics of Metal-Ferroelectric-Insulator-Semiconductor Structure Using a Post-Oxygen Annealing Treatment"Japanese Journal of Applied Physics. Vol.41(4B). (2002)
• [Publications] M.Noda, T.Nakaiso, K.Takarabe, K.Kodama, M.Okuyama: "Preparation and characterization of Bi_4Ti_3O_<12>-SrBi_4Ti_4O_<15> ferroelectric thin films by pulsed laser deposition"Journal of Crystal Growth. (in press). (2002)
• [Publications] M.Okuyama, M.Takahashi, T.Nakaiso, K.Kodama, M.Noda: "Effect of Leakage Current Through the Ferroelectric and Insulator on Retention Characteristics of Metal-Ferroelectric-Insulator-Semiconductor Structure"Integrated Ferroelectrics. (in press). (2002)
• [Publications] 高橋光恵, 児玉一志, 野田実, 奥山雅則: "MFISおよびMIFIS構造のメモリ保持特性の解析"電子情報通信学会Technical Report of IEICE. SDM2000-232(2001-3). (2001)