強誘電体・高誘電率材料を用いた機能性デバイスの試作とロジック回路への応用

2001 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13025220
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 徳光 永輔 東京工業大学, 精密工学研究所, 助教授 (10197882)
• Keywords: 強誘電体 / 高誘電率材料 / 機能性デバイス / ロジック回路 / 不揮発性メモリ

Research Abstract

本研究では、強誘電体を用いて、同一デバイスでNANDとNORの両方の論理機能を実現し、これらを電気的に切り替え可能で、かつ不揮発性のメモリ機能を有する論理機能可変型の新しいロジックゲートを提案した。このロジックゲートを試作するために、まず使用する強誘電体SrBi_2Ta_2O_9(SBT)および高誘電率材料SrTa_2O_6をゾルゲル法により成膜し、電気的特性を評価した。これらの実験結果を基に、NANDとNORを電気的に切り換えるためのロジックゲートを種々のデバイスパラメータを検討して設計した。次に設計したロジックゲートの動作を回路シミュレータSPICEによりシミュレーションし、入出力特性において、設計値通り約2.4Vのしきい値シフトが得られることを明らかにした。これにより、入力を適切に選べば同一デバイスを用いながら、NANDとNORの2つの論理機能が強誘電体の分極により切り換え可能なことを明らかにした。さらに、提案したロジックゲートを試作するためのマスクパターンを設計・作製し、高誘電率材料と強誘電体を集積化するためのプロセス技術を検討した。試作を進めたが、高誘電率材料SrTa_2O_6の成膜時のゲート領域へのダメージによりロジックゲートの完全な動作確認までは至っていない。しかし、強誘電体と高誘電率キャパシタを集積化したゲート部を別に作製したMOSFETのゲートと接続して、強誘電体の分極により論理しきい値がシフトできることを実験的に明らかにした。

Research Products

• [Publications] E.Tokumitsu, T.Isobe, T.Kijima, H.Ishiwara: "Fabrication and Characterization of Metal-Ferroelectric-Metal-Insulator-Semiconductor(MFMIS) Structures Using Ferroelectric (Bi, La)_4Ti_3O_<12> Films"Jpn.J.Appl.Phys.. Vol.40 Part 1,No.9B. 5576-5579 (2001)
• [Publications] E.Tokumitsu, K.Okamoto, H.Ishiwara: "Low Voltage Operation of Nonvolatile Metal-Ferroelectric-Metal-Insulator-Semiconductor(MFMIS)-Field-Effect-Transistors(FETs) Using Pt/SrBi_2Ta_2O_9/Pt/SrTa_2O_6/SiON/Si Structures"Jpn.J.Appl.Phys.. Vol.40 Part 1,No.4B. 2917-2922 (2001)
• [Publications] E.Tokumitsu, T.Suzuki, N.Sugita: "Ferroelectric-Gate Structures and Field-Effect Transistors Using (Bi, La)_4Ti_3O_<12> Films"Materials Research Society, Fall Meetings. Paper C4.1.. (2001)
• [Publications] T.Suzuki, E.Tokumitsu: "Caracterization of Metal-Ferroelectric-Metal-Insulator-Semiconductor(MFMIS) Structures Using (Bi, La)_4Ti_3O_<12> and La_2O_3/SiON Buffer Layers"1st International Meeting on Ferroelectric Random Access Memories. (2001)
• [Publications] E.Tokumitsu, N.Kawaguchi, S.M.Yoon: "Flexible Logic-Gate Using Ferroelectric Films"2001 Asia-Pacific Workshop on Fundamental and Application of Advanced Semiconductor Devices(AWAD). (2001)
• [Publications] E.Tokumitsu, N.Kawaguchi, S.M.Yoon: "Switchable NAND/NOR Logic-Gate Using Ferroelectric Control Capacitor"20th Electronic Materials Symposium. (2001)
• [Publications] 徳光永輔: "酸化物エレクトロニクス(分担):アドバンスト エレクトロニクスI-22"培風館. 43 (2001)