2021 Fiscal Year Annual Research Report
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
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20H02189
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
生田目 俊秀 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 技術開発・共用部門, グループリーダー (10551343)
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| 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, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, MANA主任研究者 (50322665)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 原子層堆積法 / ナノラミネート構造 / ZrO2 / 積層膜 / Al2O3 / キャパシタ / 電気特性 / 誘電率 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
目的とする酸化アルミニウム(Al2O3)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について、2020年度に探索した材料に加えて、候補材料としてZrO2/Al2O3またはAl2O3/ZrO2積層構造を選択した。ZrO2のALD原料として(C5H5)Zr[N(CH3)2]3を選択してALDで薄膜形成して、その薄膜の膜厚を分光エリプソで測定することで、ALDサイクル当りの成長速度を求めた。この成長速度を基にして、Al2O3膜の膜厚を2.0 nm一定としてZrO2膜の膜厚を2.9～5.7 nmと変えたZrO2/Al2O3またはAl2O3/ZrO2積層膜を作製した。この積層膜を絶縁膜に用いた上下電極がTiNのキャパシタの作製において、先ず、電極サイズを変えたパターンのマスクを設計・作製した。このマスクを用いて、TiN/ZrO2/Al2O3/TiNまたは、TiN/Al2O3/ZrO2/TiNキャパシタを作製した。微小容量を測定できる電気伝導システムを昨年度の初期版から更に改良した。このシステムを用いて、暗所・室温におけるC-V及びI-V測定した結果、ZrO2/Al2O3積層構造でZrO2膜の誘電率がAl2O3/ZrO2積層構造に比べて約7向上する事を見出した。
2020年度からの継続として、(HfO2)m/(Al2O3)n、(HfO2)m/(SiO2)nのナノラミネートをGaNパワーデバイスの絶縁膜として用いた継続研究で、電気特性より絶縁膜の固定電荷は無視できるぐらい小さく、主に、GaN/絶縁膜の界面に、欠陥起因の固定電荷が存在することが分かった。
もう一つの継続研究であるHfZrOx強誘電体膜では、この業界の課題であった低温度形成で、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。
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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
昨年度に検討した候補材料へ追加したZrO2/Al2O3またはAl2O3/ZrO2積層構造の研究で、組み合わせによって、ZrO2膜の誘電率が異なる事が分かった。１つの仮設そして、結晶化段階のストレスが結晶構造の成長へ起因しているモデルを提案できた。
継続研究の(HfO2)m/(Al2O3)n、(HfO2)m/(SiO2)nのナノラミネートを用いたGaNパワーデバイス及びHfZrOx強誘電体膜、各々、その分野では注目される成果を挙げられた。
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| Strategy for Future Research Activity |
2021年度で見出したZrO2/Al2O3またはAl2O3/ZrO2積層構造によるZrO2膜の高誘電率化を基に、更なる誘電率の向上を狙って、ZrO2膜への元素ドープを検討するなど、新たなナノラミネート構造の材料設計へ繋げる。
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[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
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