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由于材料和设备系统融合创新的纳米电子学创造
发布日期:2019-01-12
○点
◆铁的HfO 2使用,但电力消费量预计将大幅降低晶体管和存储时许,不是的工作原理和小型化的可能性清晰。
◆ 实验阐明了使用HfO 2作为栅极绝缘膜的晶体管在低电压下工作的机理。理论上澄清的是,用于隧道层的存储器可以小型化为20nm直径。
◆有助于物联网设备的超低功耗,有望实现更复杂和更充实的网络服务。

○概述
 作为JST战略研究计划的一部分,东京大学工业科学研究所,铁电体的庄司小林副教授(注1)的HfO 2是(铪氧化物; 注2)的栅极绝缘膜(注3)我们通过实验阐明了晶体管在较低电压下工作的机理。此外,强电介质隧道结隧道层的HfO 2(FTJ)存储器(注4)在理论上阐明,有可能小型化至20nm的直径。
 强电介质的HfO 2个陡亚阈值特性(栅极绝缘膜注5个表示负极电容晶体管)(NCFET; 注6)已经引起注意,因为,在超低电压下工作的晶体管,但工作原理没有充分阐明。所述FTJ存储器受到关注作为大容量的非易失性存储器中,但在导通时间和关断时的电阻率,不是明确小型化成为可能,在考虑中的当前的读操作的时间。
 在以高精确度的栅极电流的原位测量这个研究小组,由设备特征与,强电介质的HfO 2栅极绝缘膜的自发极化的反演大大有助于亚阈值特性的改善,世界上第一个实验揭示。自对准电位包括铁电极化(注7))和非平衡格林函数方法(注8通过),的HfO 2 FTJ构建存储器电流的计算方法,通过系统地研究对材料特性和厚度,可能依赖的HfO 2 FTJ约20nm的存储器直径从理论上讲,它表明它可以小型化。
 该结果极大地有助于在极低电压下工作的NCFET和具有超低功耗和大容量的FTJ存储器的设计指南。在未来的物联网终端设备的超低功耗,通过其先进的物联网网络部署,并预计将导致改进的基于大数据的社会服务。
 该研究结果将于2018年12月4日和5日太平洋标准时间的2018年IEEE国际电子器件会议上公布。

该结果由以下项目/研究领域/研究对象获得。
战略研究项目个人型研究(PRESTO)
研究领域:“由于材料和设备系统融合创新的纳米电子学创造”
(研究总负责人:东京大学工业科学学院,教授的大动脉樱井研究所)
项目名称:“超发展及其应用的陡坡晶体管技术的纳米线结构”由于栅极绝缘膜的低功率运行的负电容
研究员:工业科学正治小林研究所,东京大学副教授
研究地点:工业技术研究所研究其中,
学习期间:2015年10月至2019年三月
 是JST在这方面,通过材料的合作与融合的研究和电子设备,系统优化,显着的改善和新的信息处理能源效率我们正在进行能够实现功能的研究和开发,旨在展示真正投入实际应用并引领创新的途径。在上述研究的问题,我们正在和所述装置的设计和使用强电介质薄膜的HfO 2作为超低压工作晶体管(NCFET),世界上第一个示范的负电容晶体管的材料的开发。
○研究背景和历史在
 物联网中,协调控制多个终端的传感器网络起着重要作用。几年后,预计全球将有多达1万亿个传感器连接到互联网,但为了实现它,需要降低物联网设备的功耗。
 在装置的功耗中,泄漏功率(即使在关闭状态下消耗的功率)也是大的问题。为了减少这种情况,需要具有高电阻开/关比的晶体管和用于抑制存储器待机期间的功耗的非易失性存储器。
 使用铁电体作为栅极绝缘膜的负电容晶体管(NCFET)利用了这样的事实:当栅极绝缘膜的电容变为负时,晶体管的表面电位被放大。这是一种晶体管技术,可以使亚阈值系数小于60 mV / dec的极限,这是通常的MOS(金属氧化物半导体)晶体管的极限。
 自从2008年提出NCFET以来,已经报道了各种器件模型和实验结果。然而,根据自发极化的动力学来阐明NCFET的工作原理是不够的,这是铁电体的基本特性。
 此外,铁电隧道结(FTJ)存储器是非易失性存储器,预期其小型化并且预期具有大容量。FTJ存储器是一种双端电阻变化型存储器,它反转自发极化以调制有效的隧道势垒,实现高电阻状态和低电阻状态之间的切换。
 FTJ存储器但一直还报告设备模型和实验结果,到目前为止,通断的电阻,读出电流值时,小型化成为可能考虑的比率也保持特性和去极化场可以变得完全显而易见事实并非如此。
 近来,CMOS具有一贯的高铁的HfO(互补MOS)工艺2从发现,对于NCFET和FTJ内存的预期已经提高,研发为下一代CMOS晶体管和存储技术为了加速,设备物理的澄清和小型化指南是必不可少的。

○研究内容
[1]铁电体的HfO 2栅极绝缘膜实验上在晶体管中的自发极化反转的子阈值特性的影响的阐明
 在本研究小林副教授强电介质的HfO 2栅极绝缘膜和在晶体管中,亚阈值特性如何变得更陡,通过实验从强电介质的性质的最基本自发极化的动力学之间的对应关系的观点出发,澄清。
 强电介质的HfO 2的金属与MOS晶体管集成电容器-铁电体-金属-绝缘体-半导体型(MFMIS型)-FET是1所示和设计独立地MFM电容器和MISFET它可以制造,它是适合于搜索和器件物理是能够评价为MISFET在单个设备与MFMIS-FET比较。但难以使电荷注入到内部电极发生亚阈值区域的极化反转。因此,除了MFMIS-FET,反铁电材料的HfO也为电荷被注入发生极化反转在亚阈值区域2反铁电- -金属金属被用作栅极绝缘膜-我们已经提出并制造了绝缘体 - 半导体型(MAFMIS型)-FET。
 MFMIS-FET中执行第一次器件评估,我们通过反转其中所述极化反转,同时测量栅极电流发生在栅极电压(扫描的方向观察到的约20mV / DEC的非常陡峭的子阈值特性的图2)。这表明陡峭的亚阈值特性是由极化反转和电荷注入相互作用引起的。
 然后进行MAFMIS-FET的装置评价中,极化反转已被证实是意图(在亚阈值区域发生图3)。那些似乎极化反转的特别显着的是对所极化反转电流的外观是因为如果抑制一分为二。当当极化反转发生此进入亚阈值区,小容量消耗在栅极绝缘膜,沟道向下引起栅极绝缘膜侧的大的电压降耗尽去极化场下形成部件的表面电位被放大。事实上,在极化反转在亚阈值区域中发生的情况下,可以看到一定的亚阈值与提高不发生的情况相比,特性。
 负或研究成果被用于在负电容晶体管的亚阈值陡特性的表达已经验证所述动态模型是由于极化反转的动力学实验,下一代低功率晶体管在研究和性能力晶体管的发展,能有更陡的亚阈值特性,它可以说是在建设需要设计成在低电压下操作设备的设备模型的重要成就。

[2]使用2点自电位和非平衡格林函数方法的HfO FTJ存储器小型化的可能性理论上提出
 工业科学的商事小林准研究所教授在这项研究中,HFO 2 为FTJ存储器开发计算由自电位和非平衡格林函数,包括自发极化,当前计算的方法是折衷关系,电阻的通断比,读取电流值,去极化场,高达20nm的直径是考虑到我从理论上展示了小型化的可能性。
 为了执行电流计算FTJ存储器多层结构,我们创建了由第一,包括在每个偏置电压的强电介质的极化电势分布来计算自对准方式的模块。我们将该模块合并到主模块中,该模块利用非平衡绿色函数计算电流并构造计算方法。该金属和具有高电阻OFF比强电介质的HfO一个电极由半导体2使用金属-铁电体-半导体型已被成功地开发(MFS型)FTJ存储器,实验数据我们在此基础上校准了FTJ存储器的计算模型。
 作为MFS型FTJ存储器设计参数,残余极化和半导体电极的衬底浓度是重要的。的计算,结果图4发现,如(a)降低所示的电阻关比剩余极化减小。通常,当薄膜厚度变薄时,剩余极化值减小。然而图4,因为通过降低半导体电极(b)中的杂质浓度提高接通断开比电阻时,发现它是能够根据剩余极化由于变薄降低到补偿的电阻通断比的减小是的。
 通常,随着铁电体的薄膜厚度变薄,消偏振场趋于变大。去极化电场保持特性不能作为存储器的去极化电场超过铁电体的矫顽场必须保持低而获得。在计算出的4(c)所示,去极化场的是考虑到残留极化被减小为薄膜时,发现不超过矫顽场。
 接下来,图5显示了所需的铁电HfO 2膜厚度和所获得的目标读出电流的电阻开/关比。读取电流100nA的强电介质的HfO作为靶2,如果有可能减薄到1?1.5纳米,并且该存储器单元直径,同时保持开闭的200%或更多的比例的电阻可被小型化到20nm左右很明显。 可以说,上述研究成果为今后FTJ存储器的研究和开发提供了有用的计算方法和重要的设计指南。而其他的HfO甚至比非易失性存储器2 ,可以说是表示一个重要的成就,与FTJ内存是罚款,并通过它提高能力方面充分竞争。

○未来发展
 的铁电的HfO 2相对于所述栅极绝缘膜的晶体管中,由于极化反转的亚阈值特性改善的一个模式,多个金属是适合于集成-铁电体-半导体型(MFS型)晶体管与我们会继续验证。为了使该晶体管实际用作逻辑晶体管,必须采取不引起滞后的措施,该滞后根据所施加电压的扫描方向改变元件特性。设计具有无滞后和陡峭亚阈值特性的铁电HfO 2栅极绝缘膜晶体管有望加速作为下一代CMOS晶体管技术的研究和开发。
 对于铁电HfO 2 FTJ存储器,除了本研究中的小型化指南之外,还需要选择器以便作为随机存取存储器操作。通过设计铁电HfO 2和界面层以及电极材料,我们的目标是在FTJ存储器本身中集成选择器的器件设计。预计用于大规模存储存储器或人工智能硬件应用的内置选择器将加速FTJ存储器的研发。

○参考图

图1制造的MFMIS-FET的外观(左)和截面图(右)的横截面
显示了顶部的栅极方向和底部的沟道方向。利用这种结构,可以独立设计MFM电容器和MISFET,并且可以使用单个器件评估MFMIS-FET和MISFET。


图2锆30%的HfO掺杂2漏极电流相对于被称为栅极绝缘膜MFMIS-FET的栅极电压特性
由极化反转希望在切换栅极电压扫描方向观察到约30毫伏/癸陡峭亚阈值特性我做到了。


图3中的漏极电流和栅极电流对MAFMIS-FET的栅极电压
,但所有是锆90%的掺杂,在上部电极的面积比与内部电极(左)1:8,(中)1:14(右)1: 32。例如,在向前扫描的极化反转(介质)不会在亚阈值区域发生,即低于阈值的特性发生在相反方向上扫描一个亚阈值区域极化变得比在向前方向上更陡我明白了


图4的HfO 2 FTJ存储器状态电流,截止电流,电阻断开比
(a)中剩余极化依赖性
(b)中的半导体电极的杂质浓度依赖性
(c)中去极化场界面层厚度和强电介质膜厚度的依赖随着
剩余极化减小,电阻开/关比降低,但可以看出降低杂质浓度可以增加电阻开/关比。


图5 的HfO 2 FTJ存储器,读取电流值,以目标,所需的电阻断开比和强电介质膜的厚度和所述存储器单元直径之间的关系所计算
的(a)10 nA的靶
(B)100nA的目标
100nA的通过将读取电流值设定为1.0至1.5nm,铁电体可以减薄至20nm直径。

○词汇表
注1)铁电体
具有晶格中心不对称,具有通过在由电场的晶格中的原子的双稳态状态移位时,用于保持自发极化甚至在不存在电场的一种介电材料。

注2)的HfO 2(氧化铪
 氧化钛)的HfO 2是二氧化硅(SiO 2高的介电常数比),非晶相的顺电被用作当前先进的CMOS晶体管的栅绝缘膜。近年来,在HfO 2的特定晶体层中发现了铁电性。由于HfO 2已经用于CMOS工艺,因此铁电HfO 2有望成为适用于集成器件的新功能材料。

注3)栅极绝缘膜
 目前,构成大规模集成电路的晶体管具有由金属(金属),氧化物(氧化物)和半导体(半导体)制成的MOS结构。金属是栅电极,其施加输入电压并控制流过半导体的电流。在金属和半导体之间需要绝缘膜,该绝缘膜称为栅极绝缘膜。通常使用顺电硅或金属氧化物。

注4)铁电隧道结(FTJ)存储器
 铁电纳米电极是夹在上下电极之间的两端子结构的器件。反转铁电隧穿势垒高度的自发极化的方向由电压调制的,所以能够高电阻OFF状态和ON状态的低电阻之间切换,并且作为非易失性存储器进行操作。FTJ代表铁电隧道结(铁电隧道结)。

注5)亚阈值特性在
 正常场效应晶体管中,低于阈值电压的栅极电压区域称为亚阈值区域,电流由扩散传导和正常指数函数支配它以不同的方式变化。在该区域中电流增加一个数量级所需的栅极电压的增加量称为亚阈值系数,并且通常以mV / dec为单位表示。

注6)负电容晶体管(NCFET)
 由以往的MOS的栅极绝缘膜(金属氧化物半导体)晶体管时,表面电位的铁电薄膜代替通过使用在铁电体中发生负电容据说晶体管能够陡峭亚阈值特性。
 FET是场效应晶体管的缩写,其是通过向栅电极施加电压而产生的电场来控制电流的晶体管。具有负介电常数的物质是其中施加到物质的电压和极化电荷的符号相对于普通电介质相反的物质。产生的电荷与施加到物质上的电压的比率称为负容量(NC)。近年来,已发现铁电HfO 2具有负介电常数,并且期望作为NCFET的材料。

注7)自对准势
 在强电介质隧道结(FTJ),充电和内部的电势分布的状态是在整个给定的边界条件(等于所施加的电压的电势分布的总和,电荷中性条件被满足计算方法使它们在条件下相互交错。

注8)非平衡绿色函数法
 基于量子力学计算纳米结构器件电流特性的方法。计算当前需要的两个端子之间的电子波函数的透射率,透射率一般被表示使用的基础上计算出的格林函数的系统的哈米尔顿算子。当电压施加到器件时,计算处于非平衡状态的格林函数,最后计算两个端子之间的电流。

○纸标题
“实验研究极化的切换在亚阈值特性中的HfO角色2 -Based铁电和反铁电FET”
(铁电和反铁电电介质的HfO 2的晶体管,其被称为作为栅极绝缘膜的亚阈值特性极化反转效应的实验研究

“铁电式HFO扩展性研究2基于非平衡格林函数法隧道结存储器的自洽势”
(铁的HfO基于自身潜力和非平衡格林函数2对于小型化的潜力隧道结存储器研究)

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