2017 Fiscal Year Annual Research Report
Multi-stack interface dipole modulation memory and analog operation dynamics
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16H02335
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
宮田 典幸 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 研究グループ長 (40358130)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
野平 博司 東京都市大学, 工学部, 教授 (30241110)
奈良 純 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, 主任研究員 (30354145)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 不揮発メモリ / 界面ダイポール / 酸化膜 / アモルファス / X線励起光電子分光法 / 第一原理計算 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
多層型HfO2/SiO2界面ダイポール変調型メモリの高性能・高度化を目的として、当初の計画通り下記(１)-(３)研究課題を進めた。
課題(１)「物理分析による界面構造およびダイポール変調機構の解明」では、HfO2／1-ML TiO2／SiO2 IDM (interface dipole modulation) 構造中の化学結合状態およびダイポール変調に関わる物理構造変化を明らかにすることを目的に、昨年度に放射光施設を利用した取得したHAXPES (hard X-ray photoemission spectroscopy) スペクトルの解析を進めた。ゲート電圧印加によるHf 3d, Si 1s, Ti 1sスペクトルの変化を詳しく解析した結果、HAXPES測定においてもIDM構造に妥当な電圧が印加されていることが確認できた。また、IDM構造を構成するHf、Ti、Si酸化物中のサブオキサイドが少ないことも明らかとなった。
課題(２)「第一原理計算による界面構造およびダイポール変調機構の解明」では、電界によるIDM構造の変化を理解するため、まずは、昨年度に作成したHfO2/Si界面構造中の界面 Hf 原子をTi原子に置き換えてHfO2/1-ML TiO2/SiO2積層構造を作成した。さらに、積層構造に線形のポテンシャル差を与えることで、模擬的に電界の影響を調べる方法を検討した。
課題(３)「多層ダイポール界面構造・フラッシュメモリの作製と電気特性評価」では、昨年度に試作・動作に成功した６層ダイポール変調層を組み込んだFET (Field-Effect Transistor) のフラッシュ型動作の詳しい評価を進め、10万回に達する安定スイッチング動作を実証した。また、マイクロ秒程度のパルス電圧によるIDM動作が可能であることも確認できた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
下記の研究課題(１)-(３)について、当初の計画に近い進捗があり、計画最終年度である来年度までに目標とする実験結果が取得でき、メカニズム理解などの考察も進むものと判断される。
課題(１)のx線光電子分光測定では、HAXPESによる電極付きMOS (metal oxide semicondcutor) 構造の測定に成功しており、さらにゲート電圧印加下におけるスペクトル変化も観察できている。今後の解析により、IDMの起源となる構造変化やポテンシャル変化が抽出できる可能性が期待できる。
課題(２)のシミュレーションでは、実際のデバイスに組み込んだIDM構造に近いHfO2/1-ML TiO2/SiO2積層構造の作成を終了しており、電界による構造変化の解析に進んでいる。来年度に予定している詳しい解析から、電界による構造変化およびポテンシャル変調のメカニズムが理解できる可能性が高い。
課題(３)のデバイス試作・評価では、既に、IDM FETの試作に成功しており、目的とするフラッシュ型メモリ動作の評価も一通り終えている。パルス応答の評価も始めており、概ね目的の進捗があると判断できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
H30年度は、下記の研究課題(１)-(３)について、H28, H29年度に得られた結果をベースに下記のように進めることとする。
課題(１)のx線光電子分光測定では、H29年度までに得られたHAXPES (hard X-ray photoemission spectroscopy) スペクトルの解析を進め、電圧印加による化学結合状態およびポテンシャルの変化を調べる。また、必要に応じて、新たにHfO2/SiO2 IDM試料を作製し、HAXPES測定または汎用x線光電子分光法の測定を行う。
課題(２)の第一原理計算では、H29年度までに作製したHfO2/1-ML TiO2/SiO2積層構造を用いて、電界による構造変化の解析を進める。また、温度の影響や、電界印加後の時間依存性なども調べ、実際のIDMメモリの特性を比較しつつ、動作メカニズムを考察する。
課題(３)のデバイス試作・評価では、H29年度までに作製したIDMデバイスの詳しい評価を続けるとともに、さらに安定したIDM動作を目指して、作製プロセス条件の最適化を進める。
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