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

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 12450147
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 野田 実 大阪大学, 基礎工学研究科, 助教授 (20294168)
• 研究分担者: 木島 健 シャープ株式会社, 技術本部・主任(研究職) ; 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)
• キーワード: 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

研究概要

(金属/)強誘電体/絶縁膜/半導体ゲート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した。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り、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。
昨年に引続き上記の酸素アニール処理でRapid Thermal Annealingの適用を進めた結果、1000℃,30秒の処理で保持時間を6X10^5秒(〜1週間)以上、外挿推定保持時間として約3x10^7秒(〜1年)の保持特性向上を確認できた。実用要求仕様10年の一歩手前まで進展できた。そして同保持特性改善に有効であると考えられる酸素アニールがSBT薄膜に与える効果を、紫外線光電子分光法(UV-PYS)、およびX線光電子分光法(XPS)を用いて検討を進めた結果、酸素アニールによりSBT薄膜のFermi準位と真空準位との差が減少し、酸素アニール後は他の製法によるSBT薄膜とほぼ同様のFermiエネルギー5.5〜5.6eVを持つことが示され、SBT薄膜のホールに対するSchottky伝導が酸素アニールにより減少する可能性を示した。またパイロクロア相を多く含むSBT薄膜ほど加圧酸素アニールによりFermi準位と真空準位との差が増加することが示された。加圧酸素アニールによりSBT薄膜表面に(Bi_2O_2)^<2+>層とは異なるBi_xO_yが形成されたと推測された。加圧酸素アニールによるリーク電流低減の傾向は、このBi_xO_y形成による効果がある可能性がある。
以上のようにMFIS構造のゲート容量保持時間を約1年と大幅に改善し得た酸素アニール処理は、1)ホールに対するSchottky伝導の低減、2)SBT膜のリーク電流低減、という望ましい効果があることが示唆され、MFIS構造の記憶保持特性の改善に非常に有効であると結論できた。

研究成果

• [文献書誌] K.Kodama, M.Takahashi, D.Ricinshi, A.I.Lerescu, M.Noda, M.Okayama: "Improved Retention Characteristics of Metal-Ferroelectric-Insulator-Semiconductor Structure Using a Post-Oxygen-Annealing Treatment"Japanese Journal of Applied Physics. 41,No.4B. 2639-2644 (2002)
• [文献書誌] M.Noda, T.Nakaiso, K.Takarabe, K.Kodama, M.Okuyama: "Preparation and Characterization of Bi_4Ti_3O_<15>-SrBi_4Ti_4O_<15> ferroelectric thin films by pulsed laser deposition"Journal of Crystal Growth. 237-239. 478-481 (2002)
• [文献書誌] M.Takahashi, K.Kodama, T.Nakaiso, M.Noda, M.Okuyama: "Effect of Leakage Current through Ferroelectric and Insulator on Retention Characteristics of Metal-Ferroelectric-Insulator-Semiconductor Structure"Integrated Ferroelectrics. 40. 125-134 (2001)
• [文献書誌] M.Takahashi, K.Kodama, M.Noda, P.Hedblom, A.Grishin, M.Okuyama: "Oxygen Annealing Effect of Photoelectron Spectra in SrBi_2Ta_2O_9 Film"Japanese Journal of Applied Physics. 41,No.11B. 6797-6802 (2002)
• [文献書誌] M.Okuyama, K.Kodama, M.Takahashi, M.Noda: "強誘電体ゲート電界効果トランジスタメモリーのための強誘電体-絶縁体-半導体構造"Ouyon Butsuri(in Japanese). 71,No.5. 566-570 (2002)
• [文献書誌] A.Shibuya, M.Noda, M.Okuyama, H.Fujisawa, M.Shimizu: "Natural-superlattice-structured Bi_4Ti_3O_<12>-SrBi_4Ti_4O_<15> ferroelectric thin films"Applied Physics Letters. 82,No.5. 784-786 (2003)