強誘電体/絶縁膜/半導体ゲート構造における強誘電体層、絶縁層界面特性の改善

2000 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 12450147
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 野田 実 大阪大学, 基礎工学研究科, 助教授 (20294168)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 木島 健 シャープ株式会社, 技術本部・主任 ; 金島 岳 大阪大学, 基礎工学研究科, 助手 (30283732) ; 奥山 雅則 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (60029569)
• Keywords: 強誘電体 / MFIS構造 / 不揮発性メモリ / SrBi_2Ta_2O_9(SBT) / Sr_2(Ta_<1-x>,Nb_x)_2O_7(STN) / 保持特性 / 界面特性 / イオン化ポテンシャル

Research Abstract

我々は上記研究課題において、(金属/)強誘電体/絶縁膜/半導体ゲート構造(Metal-Ferroelectric/Insulator/Semiconductor:MFIS構造)を対象として実験的に不揮発性メモリ素子を作製・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。特に本年度は強誘電体層としてSrBi_2Ta_2O_9(SBT)、さらにSr_2(Ta_<1-x>,Nb_x)_2O_7(STN)薄膜の検討を行い、それらを用い同構造を作製した後同ダイオードの各種特性の評価を行うと共に、MFIS構造のメモリ保持特性の理論解析について検討を進めた。
これらの結果、両薄膜ともそれ自体のリーク電流がMFISダイオードのメモリ保持特性に強く影響することが示され、特にSBTの場合はプロセス処理によるリーク電流抑制により保持時間が1桁以上の2x10^4秒以上に改善されることが確認された。また同時に考案した強誘電体層中を流れる電流の存在が上部金属電極層と強誘電体層境界の界面に電荷の注入をもたらす結果、強誘電体に印加されている電界を次第に相殺するモデルによる計算機解析の結果は、上記実験結果を定性的によく説明できることが分かった。
金属/強誘電体界面特性の改善が上記考察の結果から非常に重要であることが明らかになったが、"イオン化ポテンシャル"による同界面評価は非常に有効であり、その結果からの材料、界面処理の最適化を行うため同イオン化ポテンシャル法を現在検討中である。

Research Products

• [Publications] H.Sugiyama,T.Nakaiso,Y.Adachi,M.Noda and M.Okuyama: "An Improvement in C-V Characteristics of Metal-Ferroelectric-Insulator-Semiconductor Structure for Ferroelectric Gate FET Memory Using a Silicon Nitride Buffer Layer"Japanese Journal of Applied Physics. Vol.39. 2131-2135 (2000)
• [Publications] T.Nakaiso,H.Sugiyama,M.Noda and M.Okuyama: "Low-Temperature Preparation of Sr_2(Ta_<1-x>,Nb_x)_2O_7 Thin Films by Pulsed Laser Deposition and its Electrical Properties"Japanese Journal of Applied Physics. Vol.39. 5517-5520 (2000)
• [Publications] M.Noda,T.Nakaiso,H.Sugiyama and M.Okuyama: "Low Temperature Preparation of Sr_2(Ta_<1-x>,Nb_x)_2O_7 Ferroelectric Thin Film by Pulsed Laser Deposition"Proceedings of Materials Research Society, Ferroelectric Thin Films VIII. Vol.596. 185-190 (2000)
• [Publications] M.Okuyama,M.Takahashi,K.Kodama,T.Nakaiso and M.Noda: "An Analysis of Effects of Device Structures on Retention Characteristics in MFIS Structures"Journal of Institute of Electrical and Electronics Engineers. (In press). (2001)
• [Publications] M.Okuyama,M.Takahashi,H.Sugiyama,K.Kodama,T.Nakaiso and M.Noda: "Theroretical and Experimental Studies on Retention Characteristics of Metal-Ferroelectric-Insulator-Semiconductor and Metal-Insulator-Ferroelectric-Insulator-Semiconductor Structures"Proceedings of Materials Research Society, Ferroelectric Thin Films IX. (In press). (2001)
• [Publications] T.Nakaiso,M.Noda and M.Okuyama: "Low-Temperature Preparation of Ferroelectric Sr_2(Ta_<1-x>,Nb_x)_2O_7 Thin Films by Pulsed Laser Deposition and Their Application to Metal-Ferroelectric-Insulator-Semiconductor-FET"Japanese Journal of Applied Physics. (In press). (2001)