原子レベルで酸素欠損制御したナノラミネート複合機能膜と巨大誘電率の発現メカニズム
Project/Area Number |
20H02189
|
Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
|
Allocation Type | Single-year Grants |
Section | 一般 |
Review Section |
Basic Section 21050:Electric and electronic materials-related
|
Research Institution | National Institute for Materials Science |
Principal Investigator |
生田目 俊秀 国立研究開発法人物質・材料研究機構, ナノアーキテクトニクス材料研究センター, 特命研究員 (10551343)
|
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
池田 直樹 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 技術開発・共用部門, 主任エンジニア (10415771)
大井 暁彦 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 技術開発・共用部門, 主任エンジニア (20370364)
塚越 一仁 国立研究開発法人物質・材料研究機構, ナノアーキテクトニクス材料研究センター, グループリーダー (50322665)
|
Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
|
Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
|
Budget Amount *help |
¥17,550,000 (Direct Cost: ¥13,500,000、Indirect Cost: ¥4,050,000)
Fiscal Year 2023: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
Fiscal Year 2022: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
Fiscal Year 2021: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000)
Fiscal Year 2020: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
|
Keywords | 原子層堆積法 / ナノラミネート複合機能膜 / 酸素欠損 / 巨大誘電率 / キャパシタ / ナノラミネート構造 / 複合酸化物 / 積層膜 / 電気特性 / 誘電率 / ZrO2 / Al2O3 |
Outline of Research at the Start |
金属酸化物を絶縁膜として用いたコンデンサー、DRAMメモリ及びパワーデバイス等の電子デバイスでは、低消費電力を達成するために低電圧駆動、低リーク電流及び高容量が望まれている。 これらのスペックを満足させるために、材料物性から限界のある単一の金属酸化物に代わり、原子層堆積法を用いて、酸化アルミニウムナノ層と異種金属酸化物ナノ層をプログラムして積層したナノラミネート(=超格子形状)超構造の複合機能性膜を創生して、この複合機能性膜が絶縁膜としての有望性について検討する事を研究の目的とした。
|
Outline of Annual Research Achievements |
2021年度までに、ZrO2/Al2O3またはAl2O3/ZrO2積層構造で、積層の違いが誘電率に影響する事を見出した。2022年度は、ZrO2の母材へのNbOxドーピングついて検討した。(ZrO2)1/(NbOx)1ナノラミネートで、300℃で、H2O酸化ガスの原子層堆積法(ALD)で作製した。As-grown膜はアモルファス構造であった。N2又はO2で、450℃の急速加熱処理でも、アモルファス構造を維持した。このナノラミネート膜を絶縁膜とした上下電極がTiNのMIMキャパシタを作製した。低温度、真空中、I-V測定を実施した。アモルファス構造のナノラミネート膜の誘電率は、リファレンスとして作製した結晶化したZrO2絶縁膜に比べて、約10小さな誘電率であり、ZrO2を母材とした場合には、結晶化が重要である事が分かった。 2021年度からの (HfO2)2/(Al2O3)1及び(HfO2)2/(SiO2)1のナノラミネートをGaNパワーデバイスの絶縁膜とした継続研究で、信頼性評価のために、正電圧下(PBS)でのC-V測定が可能な計測プログラムを組んだ。(HfO2)2/(Al2O3)1及び(HfO2)2/(SiO2)1ナノラミネート膜は、800℃熱処理で、各々、アモルファスなHfAlOx及びHfSiOx膜となった。フラットバンド電圧(Vfb)から実効電界を8.8MVcm-1、ストレス時間300sのPBSで、認められた正のVfbシフト値は0.24Vと非常に小さく、GaN/HfAlOx及びGaN/HfSiOx界面が電子トラップする欠陥が少ない事を明らかにできた。 もう一つのHfZrOx強誘電体膜では、ALDの酸化剤としてプラズマ酸素を用いる事で、300℃で優れた強誘電体特性を得る事ができた事を2021年度までに報告したが、その要因について、放射光を用いた界面解析を実施した。
|
Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
これまで検討した候補材料のZrO2/Al2O3積層構造に変えて、(ZrO2)1/(NbOx)1ナノラミネート膜を基本構造とした絶縁膜の研究で、ALDによるas-grown膜及びその後の450℃熱処理でもアモルファス構造であり、誘電率も小さかった。ZrO2を母材とした絶縁膜では、結晶化していることが重要である指針を得た。 継続研究の(HfO2)2/(Al2O3)1及び(HfO2)2/(SiO2)1ナノラミネート膜を用いたGaNパワーデバイスのPBS特性及びHfZrOx強誘電体膜のTiN/HfZrOx界面の解析より、各々、その分野では注目される成果を挙げられた。
|
Strategy for Future Research Activity |
GaNパワーデバイス及び強誘電体トランジスタのナノラミネート膜の活用では、これまでに開発した絶縁膜が基本的に優れた特性を有する事を報告してきた。実際の利用には信頼性が重要であり、低温度から高温度でのストレスバイアス下での電気特性を評価して、材料の適性を議論する。
|
Report
(3 results)
Research Products
(41 results)
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
[Presentation] 異なる酸化剤を用いた原子層堆積法により作製した 強誘電体HfxZr1-xO2/TiNの構造評価2022
Author(s)
女屋 崇, 生田目 俊秀, 長田 貴弘, 上田 茂典, Y. C. Jung, H. Hernandez-Arriaga, J. Mohan, J. Kim, C.-Y. Nam, E. H. R. Tsai, 喜多 浩之, 右田 真司, 太田 裕之, 森田 行則
Organizer
2022年 第83回応用物理学会秋季学術講演会
Related Report
-
[Presentation] 強誘電性の向上へ向けたTiN/HfxZr1-xO2界面のTiOxNy層の重要性2022
Author(s)
女屋 崇, 生田目 俊秀, 長田 貴弘, 上田 茂典, Yong Chan Jung, Heber Hernandez-Arriaga, Jaidah Mohan, Jiyoung Kim, Chang-Yong Nam, Esther H. R. Tsai, 太田 裕之, 森田 行則
Organizer
第27回 電子デバイス界面テクノロジー研究会. 2022
Related Report
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
[Presentation] 放射光X線による低温形成したHfxZr1-xO2薄膜の直方晶相同定の検討2021
Author(s)
女屋 崇, 生田目 俊秀, Yong Chan Jung, Heber Hernandez-Arriaga, Jaidah Mohan, Harrison Sejoon Kim, 澤本 直美, Chang-Yong Nam, Esther H. R. Tsai, 長田 貴弘, Jiyoung Kim, 小椋 厚志
Organizer
第68回応用物理学会春季学術講演会
Related Report
-
-
-
-
[Presentation] HfxZr1-xO2/ZrO2積層構造による強誘電体厚膜の強誘電性の向上2020
Author(s)
女屋 崇, 生田目 俊秀, 井上 万里, Yong Chan Jung, Heber Hernandez-Arriaga, Jaidah Mohan, Harrison S. Kim, 澤本 直美, 長田 貴弘, Jiyoung Kim, 小椋 厚志
Organizer
第81回応用物理学会秋季学術講演会
Related Report
-
[Presentation] Improvement of Ferroelectricity and Fatigue Property of Thicker HfxZr1-xO2/ZrO2 Bi-layer2020
Author(s)
Takashi Onaya, Toshihide Nabatame, Mari Inoue, Yong Chan Jung, Heber Hernandez-Arriaga, Jaidah Mohan, Harrison S Kim, Naomi Sawamoto, Takahiro Nagata, Jiyoung Kim, Atsushi Ogura
Organizer
Pacific Rim Meeting on Electrochemical and Solid-State Science 2020 (PRiME 2020)
Related Report
Int'l Joint Research
-
-
-
[Presentation] Possibility of Above 20-nm-Thick HfxZr1-xO2/ZrO2 and HfxZr1-xO2/HfO2 Bilayers for High Polarization and Breakdown Voltage2020
Author(s)
Takashi Onaya, Toshihide Nabatame, Mari Inoue, Yong Chan Jung, Heber Hernandez-Arriaga, Jaidah Mohan, Harrison Sejoon Kim, Naomi Sawamoto, Takahiro Nagata, Jiyoung Kim, Atsushi Ogura
Organizer
51th IEEE Semiconductor Interface Specialists Conference. 2020
Related Report
Int'l Joint Research