2021 Fiscal Year Annual Research Report
Investigation of steep-slope transistor using ferroelectric polarization dynamics
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20H00240
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| Research Institution | Japan Advanced Institute of Science and Technology |
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Principal Investigator |
徳光 永輔 北陸先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (10197882)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
藤村 紀文 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (50199361)
森田 行則 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 (60358190)
太田 裕之 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 (70356640)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 強誘電体 / 分極ダイナミクス / 急峻スロープトランジスタ / 負性容量 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、前年度に引き続き３つの研究機関が、フル分極（WP1：徳光）、マイクロ分極（WP2：太田・森田）、分極相互作用（WP3：藤村）という異なる視点から協力して研究を遂行した。
WP1では強誘電体飽和ループを利用したフル分極のダイナミクスを明らかにし、酸化物半導体をチャネルに用いた低電圧動作デバイスへ応用する。2021年度は、強誘電体分極ダイナミクスの各パラメータが負性容量的挙動にどのように寄与するかを検討し、石橋モデルにおける分極ドメイン成長の次元因子が重要であるとの知見を得た。さらに、溶液プロセスにより形成したHf-Zr-O（HZO）膜とWP2でスパッタ製膜されたHZO膜を用いて酸化物チャネル薄膜トランジスタを作製した。スパッタ堆積したHZO膜では減圧での結晶化アニールにより良好な角形性をもつ分極―電界ヒステリシス特性が得られたが、強誘電性を示す直方晶の安定性が溶液プロセスによるY-HZO膜とスパッタ法によるHZO膜で異なることが明らかになった。
WP2では、スパッタ堆積したHf0.5Zr0.5O2膜に分極処理を行う前後での電流伝導機構の変化を調べたところ、抗電界を超える電圧を一度加えると漏れ電流が著しく増加することを見出した。電流の温度依存性解析から、この電流は絶縁膜中の欠陥を介したプール・フレンケル型の伝導モデルに一致することを確認した。分極処理の強い電界によって、HZO膜の伝導帯から0.47 eV低いエネルギーレベルに欠陥が生成していることを見出した。また前年度に引き続き他グループにスパッタ法で形成したHZO強誘電体膜を供給した。
WP3では、強誘電体の減分極電界や半導体の非線形応答を取り入れたデバイスの動作解析を進めるとともに、本研究グループが開発した正圧電応答力顕微鏡を用いてWP2から供給されたHZO薄膜の分極ドメインを観察することに初めて成功した。
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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
2021年度は前年度からの解析に加えて、材料やデバイス作製を主として検討した。WP1では強誘電体分極ダイナミクスの検討を行い、分極ドメイン成長の次元因子が負性容量的な挙動に寄与するとの知見が得られた。材料およびデバイスの試作においては、スパッタ堆積したHZO膜では減圧での結晶化アニール後に理想的な角形性のよい分極ー電界ヒステリシス特性が得られた。これらは意義のある成果である。しかし同時に、良好な強誘電性を示すスパッタ堆積膜上に酸化物チャネルを形成してデバイスを作製すると、強誘電特性が劣化してしまう現象を観測した。これは予期していなかった結果であり、デバイス応用のためには今後対策が必要である。WP2では、スパッタ堆積HZO膜の電流伝導機構検討を行い、電流伝導機構の理解が進んだ。さらに、WP3では、正圧電応答力顕微鏡を用いてWP2から供給されたHZO薄膜の分極ドメインを観察することに初めて成功した。これは特筆すべき成果である。
以上のように、特にスパッタ堆積HZO膜のデバイス化において予期していなかった障害が顕在化して今後の対策が必要であるが、その他は順調に成果を上げている。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度となる2022年度も引き続き同様な役割分担で研究を進める。また計画調書作成当初に参画していた右田が外部機関出向から産総研に復帰するため、研究分担者として参加する予定である。
WP1では、現在までにフル分極時の負性容量的挙動を検討するとともに、溶液プロセスによりYドープHf-Zr-O(HZO)薄膜をゲート絶縁膜、In-Sn-O（ITO）をチャネルとした強誘電体ゲート薄膜トランジスタの作製に成功している。今後はチャネル膜厚（容量）を変化させたデバイスを作製して負性容量的挙動にどのように寄与するかを検討し、急峻スイッチングが得られる条件を明らかにする。また、WP2が提供するスパッタHZO膜を減圧下で結晶化して非常に角形性のよい分極―電界（P-E）ヒステリシス特性が得られたので、本年度はその負性容量的挙動を実験的に検討する。さらにスパッタHZO膜を用いた酸化物チャネルのデバイスを実現するために、還元雰囲気での結晶化により強誘電性を示す直方晶の安定化を試みる。WP2では強誘電体の微小分極応答のメカニズムを検討し、シリコン(Si)トランジスタの急峻スイッチング動作に応用する。Siチャネル強誘電体ゲートトランジスタのモデル化を行い、Siチャネルの厚みなどのデバイスパラメータを変化させて解析し、強誘電体の微小分極反転と急峻スイッチング機構を明らかにする。さらにスパッタ堆積したHZO膜を用いてトランジスタの特性を詳細に測定し、Siデバイスで重要となる微小分極と急峻スイッチング動作を実験的に検証する。WP3では、引き続き正圧電応答力顕微鏡による分極ドメインの反転挙動とアナログメモリ動作の解析を実施し、これをゲート絶縁膜として用いたトランジスタのスイッチング機構の理解へと研究を進める。
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