2018 Fiscal Year Annual Research Report
Studies on Ferroelectric Resistive-switching with Growth- and Interface- Controlled Fluorite-based Heterostructures
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18H01879
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
山田 浩之 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (00415762)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | ハフニア系強誘電体 / 酸化物界面 / 抵抗スイッチング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題では、ハフニア系強誘電体を用いたトンネル接合を作製し、これを用いた抵抗変化型不揮発性メモリ実現を目的としている。そのためには、原子レベルで平坦かつ巨視的スケールで膜厚が均一となる、強誘電層/下部電極層ヘテロ構造の成長が不可欠である。平成３０年度研究においては、下部電極層としてスズドープ酸化インジウム(ITO)、強誘電層として、Y2O3置換したHfO2(YHO)からなるヘテロ構造を対象として、その平坦成長技術開発に取組んだ。その結果、YHO/ITOのアモルファスを、熱酸化シリコン基板上にパルスレーザ堆積法により室温蒸着し、これを低温（250℃）と高温（750～1000℃）の2段階でアニール処理することにより、10μm×10μmの範囲で平坦度(RMS roughness)わずか0.15nmの多結晶YHO/ITOヘテロ構造を作製することに成功した。
上述の平坦度は、下部電極層を有するハフニア系強誘電ヘテロ構造の平坦度としては、報告例がないほど良好なものである。透過電子顕微鏡観察の結果、表面のみならずYHO/ITO界面も同等に平坦であり、マクロメートルスケールで膜厚均一性を有することが分かった。また上部電極に白金を付けたPt/YHO(12nm)/ITO接合も作製し、強誘電分極特性の評価を実施した。その結果、13μC/cm2の残留分極を室温で示すことが分かった。この値は、YHOの強誘電分極の大きさとしては、エピタキシャル成長したヘテロ構造に匹敵する値である。X線回折と透過電子顕微鏡観察結果からは、高対称相構造を有するYHOがITOとの界面から擬エピタキシャル的に成長していることが示唆された。これにより、ハフニア系強誘電体においても高品質な強誘電トンネル接合作製への道が拓けたといえる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
上記の通り平成30年度研究においては、YHO/ITOヘテロ構造の「2段階アニール」による平坦成長を実現した。平坦性実現においては特に「低温アニール」が重要な役割を果たしていることを見出した。さらに、この低温アニールの効果は、パルスレーザ堆積法で用いるYHOおよびITOセラミックスターゲットに含まれる水分に依存することを示唆する結果を得た。この経緯により、YHO/ITOヘテロ構造の作製に想定以上の時間を費やした。しかし研究遂行の結果として、酸化物電極を用いた蛍石型ヘテロ構造により、原子レベル平坦化・膜厚の均一化の指針確立という当初目標（アイディア）の一つを達成できたと位置付けられるので、「おおむね順調」とした。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度は、強誘電ハフニア超薄膜からなるトンネル接合(Pt/YHO/ITOなど）の作製と評価に注力する。
平成30年度研究では、YHOを膜厚6nmまで低減しても平坦性は劣化せず、強誘電性(10μC/cm2以上の残留分極)も維持された。しかし、「抵抗」を評価するには厚すぎることが分かった。そこで、強誘電層のターゲット膜厚は2nm程度とする。
また、本研究課題では、強誘電体層と電極層の間に極薄常誘電層を挿入することで、抵抗スイッチング機能の増強を提案しており、そのフィージビリティスタディを行う。本年度研究では、先ず、スパッタで成膜できるSiO2,Al2O3,Ta2O5を用いて行う。
さらに、本研究課題開始以前から取り組んできた、典型的な強誘電体であるペロブスカイト型酸化物強誘電体BaTiO3をもちいたトンネル接合についても研究進展状況に応じて相補的に接合特性評価を実施して比較検討し、上記研究を加速させるとともに、抵抗スイッチングの不揮発性メモリ以外のアプリケーション開拓も進める。
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