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摘要：日本的一个研究小组开发出一种通过原子层沉积（ALD）法制作氧化物半导体——氧化铟（In₂O₃）的技术，实现了高密度、低功耗的三维垂直沟道铁电体和反铁电体晶体管存储器，通过将这种存储器件技术用于物联网设备的存储内存，有望开展利用大数据的社会服务。

关键字：氧化物半导体、氧化铟、存储器件技术、物联网设备、大数据

要点

研究小组开发了一种将氧化物半导体均匀沉积成三维结构的技术，实现了高密度、低功耗的三维垂直沟道铁电体和反铁电体晶体管存储器。
通过原子层沉积法代替传统溅射法的沉积，开辟了将氧化物半导体应用于三维集成存储器件的可能性。另外，通过在铁电体的基础上使用反铁电体，能够有效地执行存储器的重写操作。
通过将这种存储器件技术用于物联网设备的存储内存，有望开展利用大数据的社会服务。

概要

随着物联网家电等物联网设备获取的数据量逐年增加，云服务器上的数据流量越来越大。为了有效利用大数据，即使是物联网设备也需要积累大量数据并使用人工智能算法处理信息。NAND闪存一般用作大容量的存储内存，但由于其功耗大，不适合安装在物联网设备中。铁电体晶体管（FeFET）存储器由于其铁电体性质而功耗较小，但实现像NAND闪存一样高密度三维垂直沟道结构的可行性尚未明确。

因此，研究小组开发了一种通过原子层沉积（ALD）法代替传统溅射法制作氧化物半导体——氧化铟（In₂O₃）的技术，并成功开发了一种三维垂直沟道铁电体和反铁电体晶体管存储器。

由于这种存储器件技术高密度且低功耗，因此通过将其用于物联网设备的存储内存，有望开展利用大数据的社会服务。

研究背景及详情

随着物联网设备获取的数据量逐年增加，云服务器上的数据流量越来越大。为了有效利用大数据，即使是物联网设备也需要积累大量数据并使用人工智能算法处理信息。NAND闪存一般用作大容量的存储内存，但由于其功耗大，不适合安装在物联网设备中。

铁电体晶体管（FeFET）存储器由于其铁电体性质而功耗较小，但实现像NAND闪存一样具有高密度三维垂直沟道结构的FeFET的可行性尚未明确。特别是，如果像三维NAND闪存那样在沟道中使用多晶硅，则存在因多晶硅的低迁移率而导致读取速度降低，在铁电体与多晶硅之间形成低介电常数的界面层，因电荷捕获导致可靠性降低以及写入电压无法降低等问题。

针对这一问题，研究小组提出了一种使用IGZO等氧化物半导体作为沟道的FeFET存储器（图1（a）），并从理论上展示了其可行性和有用性。然而，由于传统溅射法存在因沉积的高直线度而难以将氧化物半导体均匀地沉积为三维结构的技术问题，因此ALD法备受期待（图1（b）)。

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图1 (a)本文提出的使用氧化物半导体作为沟道的三维垂直沟道FeFET的示意图。铁电体HfO₂用于栅极绝缘膜。

(b)将氧化物半导体沉积成三维结构时的问题和解决方案。通过使用ALD法，可以均匀地沉积成三维结构。

研究内容

研究小组开发了一种通过ALD法代替传统溅射法制作氧化物半导体的In₂O₃的技术。使用ALD法沉积的In₂O₃所制备的薄膜晶体管显示出了超过40cm²/Vs的高迁移率。并且研究小组通过ALD法成功地将In₂O₃均匀地沉积成三维结构。使用这种沉积技术，研究小组将二氧化铪锆(HfZrO₂)铁电体（也可以通过ALD法沉积）用作栅极绝缘膜试制了FeFET（图2）。正如理论预测的那样，证实了大约1.5V的存储窗口（阈值电压差）、超过10⁴次的重写耐久性和超过10³秒的保持特性（图3）。

研究小组还提出了一种使用反铁电体ZrO₂作为栅极绝缘膜的反铁电体晶体管(AFeFET)（图4）。氧化物半导体是N型半导体，虽然容易诱导出作为多数载流子的电子，但难以诱导出作为少数载流子的空穴，因此具有相对于程序状态，其擦除状态的保持特性容易劣化的特性。通过使用反铁电体，可以在不诱导出少数载流子的情况下进行有效的擦除操作，并且可以提高擦除状态的保持特性。

事实上，已经证实其拥有大约0.7V的存储窗口、超过10⁴次的重写耐久性和超过10³秒的保持特性（图5）。由于这种存储器高密度且低功耗，因此通过将其用于物联网设备的存储内存，有望开展利用大数据的社会服务。

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图2 (a)试制的三维垂直沟道FeFET的横截面的透射电子显微镜（TEM）照片。铁电体HfO₂与作为氧化物半导体的In₂O₃均匀沉积。

(b)试制的整个原型器件的横截面示意图。

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图3 试制的三维垂直沟道FeFET的(a)漏极电流-栅极电压特性；(b)交替施加编程(PGM)脉冲电压和擦除(ERS)脉冲电压时的FeFET阈值波动的重写耐久性；(c)施加PGM或ERS脉冲电压后的FeFET阈值电压稳定性的保持特性。

获得了1.5V以上的存储器窗口、10⁴次以上的重写耐久性、10³秒以上的保持特性。

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图4 说明AFeFET有效性的概念图。(a)与铁电体磁滞一样，使用反铁电体半磁滞回线。(b)通过使用反铁电体体的半磁滞回线，即使在氧化物半导体中不诱导少数载流子，也可以有效地执行擦除操作。

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图5 试制的三维垂直沟道AFeFET的(a)漏极电流-栅极电压特性；(b)交替施加编程(PGM)脉冲电压和擦除(ERS)脉冲电压时的AFeFET阈值波动的重写耐久性；(c)施加PGM或ERS脉冲电压后的AFeFET阈值电压稳定性的保持特性。

获得了0.7V以上的存储器窗口、10⁴次以上的重写耐久性、10³秒以上的保持特性。

未来展望

本研究利用ALD法沉积制造了In₂O₃。今后，研究小组将继续推进利用ALD法沉积多元素氧化物半导体的技术，旨在将具有高迁移率和高可靠性的氧化物半导体均匀沉积成三维结构，并通过增加三维堆叠的数量增加集成数量从而增加密度。此外，为了证实实用的重写速度，研究小组将进行设计和工艺整合以降低栅极、源极和漏极的寄生电阻。

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