強誘電体薄膜の物性制御と次世代メモリデバイスへの応用

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 12134204
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 奥山 雅則 大阪大学, 大学院・基礎工学研究科, 教授 (60029569)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 長 康雄 東北大学, 電気通信研究所, 教授 (40179966) ; 藤村 紀文 大阪府立大学, 工学部, 助教授 (50199361) ; 石橋 善弘 愛知淑徳大学, ビジネスコミュニケーション研究所, 教授 (00023052) ; 清水 勝 姫路工業大学, 工学部, 助教授 (30154305) ; 安田 直彦 岐阜大学, 工学部, 教授 (90021625)
• Keywords: マルテンサイト型合金 / 低温プロセス / リラクサ強誘電体 / ドメイン構造観察 / ケミカルプロセッシング / MFIS(MFS)構造 / 走査型非線形誘電率顕微鏡 / 強誘電体・半導体接合

Research Abstract

強誘電体薄膜の物性制御と次世代メモリデバイスへの応用のために、理論・実験の両面より研究を推進するための体制を整え、以下のように研究を進めた。
強誘電体表面をAFMにより観察し原子ステップに重畳して180度分域に関係すると思われる蛇行ストライプパターンを観測できた。MPB理論により巨大誘電応答の起源を説明することに成功し、さらにマルテンサイト型合金の相転移について理論計算を展開している。
実験的には、リラクサ強誘電体のドメイン構造と誘電特性についてAFM、偏光顕微鏡などで観察し、ドメインの不均一性が相転移温度と誘電特性に大きく影響することを明らかにした。また秩序-無秩序人工格子により相転移を検証した。ケミカルプロセスによりPYN-PT薄膜の作製、BIT薄膜の作製および希土類元素のドープ、紫外線照射による特性向上、PST薄膜の作製条件について調べ良質の強誘電体薄膜を得るための条件を明らかにした。デバイスの微細化・高信頼性に必須の薄膜の低温成長をMOCVDでPZT薄膜および電極において成功し、MFM構造の作製、またナノ構造においても強誘電性を持つことをを示した。走査型非線形誘電率顕微鏡により強誘電体のナノドメイン構造の分極制御に成功した。さらに、次世代メモリデバイスのためのカルコゲナイト化合物、YMnO_3などの新強誘電体を用いたMFSおよびMFIS構造の作製を行った。I層について検討しZrO_2薄膜の作製を行った。高誘電率その表面、界面の構造解析の電子的評価を行い、さらに電気的特性およびを調べ、強誘電体メモリに適した材料選択について研究を行った。

Research Products

• [Publications] Y.Ishibashi: "Theory of the Morphotropic Phase Boundary"Ferroelectrics. 267. 1471-1474 (2002)
• [Publications] Y.Watanabe, A.Masuda: "Nano-scale theory of Ferroelectric surface predicting skin-deep quan-tized 2D electron gas"Ferroelectrics. 267. 379-384 (2002)
• [Publications] M.Iwata, et al.: "Domain Observation in Pb(Zn_<1/3>Nb_<2/3>)O_3-PbTiO_3 Mixed Crystals"Jpn. J. Appl. Phys.. 41. 7007-7010 (2002)
• [Publications] T.Shimuta, O.Nakagawara, T.Makino, S.Arai, H.Tabata, T.Kawai: "Enhancement of remanent polarization in epitaxial BaTiO_3/SrTiO_3 superlattice with asymmetric structure"J. Appl. Phys.. 91. 2290-2294 (2002)
• [Publications] N.Yasuda, et al.: "Dielectric and piezoelectric properties of lead indium niobate-lead titanate single crystal with high Curie temperature near morphotropic phase boundary"Ferroelectrics. 270. 1433 (2002)
• [Publications] W.Sakamoto, M.Mizuno, Y.Horie, T.Yogo, S.Hirano: "Chemical Solution Processing and Characterization of Highly Oriented (Ba, Ln)Nb_2O_6[Ln : La, Gd, Dy] Thin Films"Jpn. J. Appl. Phys.. 41. 6647-6652 (2002)
• [Publications] T.Hayashi, D.Togawa, M.Yamada, W.Sakamoto, S.Hirano: "Preparation and Properties of Bi_<4-x>La_xTi_3O_<12> Ferroelectric Thin Films Using Excimer UV Irradiation"Jpn. J. Appl. Phys.. 41. 6814 (2002)
• [Publications] Y.Cho, et al.: "Tbit/inch^2 Ferroelectric Data Storage Based on Scanning Nonliner Dielectric Microscopy"Appl. Phys. Lett.. 81. 4401-4403 (2002)
• [Publications] T.Karaki, K.Tsu, T.Fujii, M.Adachi: "Field Dependence of Dielectric Properties of (Pb, Sr)TiO_3 Thin Films"Ferroelectrics. 271. 303-308 (2002)
• [Publications] M.Shimizu, H.Fujisawa, H.Niu, K.Honda: "Growth of Ferroelectric PbZr_xTi_<1-x>O_3 Thin Films by Metalorganic Chemical Vapor Deposition"J. Cryst. Growth. 237-239. 448 (2002)
• [Publications] H.Funakubo, K.Tokita, T.Oikawa, M.Aratani, K.Saito: "Comparison of Crystal Structure and Electrical Properties of Tetragonal and Rhombohedral Pb(Zr, Ti)O_3 Films Prepared by Low Temperature by Pulsed-Metalorganic Chemical Vapor Deposition"J. Appl. Phys.. 92. 5448-5452 (2002)
• [Publications] O.Ito, N.Fujimura, K.Kakuno, T.Ito: "Retention Property Analysis of Epitaxially Growth YMnO_3/Y_2O_3/Si Capacitor"Ferroelectrics. 271. 87-92 (2002)
• [Publications] M.Takahashi, K.Kodama, M.Noda, P.Hedblom, A.Grishin, M.Okuyama: "Oxygen Annealing Effect of Photoelectron Spectra in SrBi_2Ta_2O_9 Film"Jpn. J. Appl. Phys.. 41. 6797-6802 (2002)