不揮発性強誘電体ゲートトランジスタの記憶特性の解明とニューラルネットへの応用

1997 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 09450123
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 徳光 永輔 東京工業大学, 精密工学研究所, 助教授 (10197882)
• 研究分担者: 大見 俊一郎 東京工業大学, 精密工学研究所, 助手 (30282859) ; 石原 宏 東京工業大学, 精密工学研究所, 教授 (60016657)
• キーワード: 強誘電体 / 不揮発性メモリ / ニューラルネット / 強誘電体ゲートトランジスタ

研究概要

初年度は、当初の研究計画に基づき、基礎的な実験を中心に研究を進めた。良好な特性を持つ強誘電体ゲートトランジスタを作製するためには、結晶性および界面特性の良好な強誘電体簿膜をシリコン基板上へ直接形成する必要がある。本研究では、強誘電体の材料としては、PZT(PbZrTiO_3)、SBT(SrBi_2Ta_2O_9)、BMF(BaMgF_4)を用いた。PZTはSiとの反応性が強く、Si基板上への直接形成は困難である。従ってSi(111)基板上にエピタキシャル成長するY_2O_3をバッファ層に用いた。分子線エピタキシ-法により成長したY_2O_3/Si構造を酸素雰囲気中900°Cでアニールすることにより、良好な界面をもつY_2O_3薄膜が形成できることを明らかにした。これをバッファ層に用いてPZT薄膜を形成したところ、容量-電圧特性において、1.5Vものメモリウインドウが得られた。これはデバイス応用上十分な値である。SBTにおいては、ゾルゲル法により直接Si基板上に形成可能なことが明らかとなったため、強誘電体ゲートトランジスタの試作を行った。試作したデバイスは明瞭な不揮発性のメモリ効果を示したが、同時にSBT/Si界面を改善する必要があることが明らかとなった。BMFも同様にSi(111)基板上にエピタキシャル成長し、デバイスの試作を進めたところ、トランジスタ動作を確認することができた。しかし、作製プロセス中の強誘電特性の劣化が問題であることを示した。さらに、これらの実験と平行して、回路シミュレータにより強誘電体ゲートトランジスタの動作を解析するため、強誘電体キャパシタのモデル化を行った。

研究成果

• [文献書誌] B.E.Park, I.Sakai, E.Tokumitsu and H.Ishiwara: "Hysteresis characteristics of vacuum-evaporated ferroelectric PbZr_<0.4>Ti_<0.6>O_3 films on Si(111) substrates using CeO_2 buffer layers" 2nd Intern.Symp.on Control of Semiconductor Interfaces,Applied Surface Science. 117/118. 423-428 (1997)
• [文献書誌] S.M.Yoon, E.Tokumitsu and H.Ishiwara: "Preparation of PbZr_xTi_<1-x>O_3/La_<1-x>Sr_xCoO_3 heterostuctures using the sol-gel method and their electrical properties" 2nd Intern.Symp.on Control of Semiconductor Interfaces,Applied Surface Science. 117/118. 447-452 (1997)
• [文献書誌] E.Tokumitsu, R.Nakamura, and H.Ishiwara: "Nonvolatile Memory Operations of Metal-Ferroelectric-Insulator- Semiconductor (MFIS) FETs Using PLZT/STO/Si(100) Structures" IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS. 18,[4]. 160-162 (1997)
• [文献書誌] K.Aizawa, M.Moriwaki, T.Ichiki, E.Tokumitsu and H.Ishiwara: "Growth and Crystallinity of Ferroelectric BaMgF_4 Films on (111)-Oriented Pt Films" Jpn.J.Appl.Phys.36,[2B]. L234-L237 (1997)
• [文献書誌] E.Tokumitsu, H.Zama and H.Ishiwara: "Chracterization of SrBi_2Ta_2O_9 Films Prepared on Si Substrates by Sol-gel Method" Transactions of Materials Research Society of Japan. 20. 627-631 (1996)