MOCVD法による強誘電体薄膜の高速大面積成長とメモリ等のデバイスへの実用化研究

1997 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 09555099
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 塩嵜 忠 京都大学, 工学研究科, 助教授 (80026153)
• 研究分担者: 大西 茂夫 シャープ(株), 超LSI開発研究所・第2開発室, 主任研究員 ; 中谷 賢一 (株)天谷製作所, 技術第一部, 開発係長 ; 清水 勝 姫路工業大学, 工学部, 助教授 (30154305)
• キーワード: 強誘電体不揮発性RAM / Pb(Zr,Ti)O_3 / 高集積化、大面積成長 / 分極反転疲労特性 / リ-ク電流特性 / 熱刺激電流法 / ドメインピニングモデル

研究概要

強誘電体不揮発性RAMは、1Mbit以下のものに関してはIDカード等の特定用途向けにすでに実用化されつつあるが、不揮発性でありながら高速書き込み、低電圧駆動、低消費電力が期待できることから、さらなる高集積化が期待されている。強誘電体不揮発性RAMの研究が始まった当初から問題にされていた分極反転疲労やリ-ク電流の問題は、現在試作や市販されている製品では対応策がほどこされているわではあるが、それらの物理はまだほとんど理解されておらず、1Mbitを越す高集積強誘電体不揮発性RAMの実現には上記物性の解明が必要不可欠である。そこで本研究では、強誘電体薄膜の分極反転疲労特性およびリ-ク電流特性に焦点をあて、その物性理解を目的とした研究をおこなった。強誘電体材料としては、代表的な強誘電体であり、すぐれた強誘電性を持つジルコン酸チタン酸鉛(Pb(Zr,Ti)O_3:PZT)を用いた。薄膜作製は高集積化、大面積成長に対応可能なMOCVD法にて行い、電気的特性の評価は面内の各測定点について系統的に行った。熱刺激電流法によるPZT薄膜のトラップ電荷の測定から、疲労過程においてドメインをピニングしている欠陥トラップから放出された電荷によるものと思われる電流を確認した。この結果から、疲労現象を説明するモデルとして″ドメインピニングモデル″が有力であることが示唆された。一方、電流電圧特性の温度依存性およびポーリング方向依存性から、PZT薄膜の電気伝導機構への分極の関与が示唆された。われわれは分極が電極との界面付近の低誘電率層に発生させると思われる反電界を考え、測定された試料温度120℃以上での電流電圧特性を説明した。以上の結果から、薄膜の面内および積層方向の均質性や純度が重要となることが示唆され、今後の課題として薄膜作製プロセスのさらなる技術革新が挙げられる。

研究成果

• [文献書誌] Masaru Shimizu, Tadashi Shiosaki et al.: "MOCVD of Pb-based Ferroelectric Oxide Thin Films" Journal of Crystal Growth. Vol.174. 464-472 (1997)
• [文献書誌] Hirotake Okino, Masaru Shimizu, Tadashi Shiosaki et al.: "A Study of the Defect Structures in MOCVD-Grown PbZr_XTi_<1-X>O_3 Thin Films by Thermally Stimulated Current Measurements" Integrated Ferroelectrics. Vol.18. 63-70 (1997)
• [文献書誌] Hironori Fujisawa, Masaru Shimizu, Tadashi Shiosaki et al.: "Characterization of Pb (Zr,Ti) O_3 Thin Films Using an Atomic Force Microscope with Simultaneous Current Measurement" Applied Physics Letter. Vol.71,No.3. 416-418 (1997)
• [文献書誌] Masaru Shimizu, Tadashi Shiosaki et al.: "Step Coverage Characteristics of Pb (Zr,Ti) O_3 Thin Films on Various Electrode Materials by Matalorganic Chemical Vapor Deposition" Japanese Journal of Applied Physics. Vol.36. 5808-5811 (1997)
• [文献書誌] Masaru Shimizu, Tadashi Shiosaki et al.: "Effects of Sputtered Ir and IrO_2 Electrodes on the Properties of PZT Thin Films Deposited by MOCVD" Materials Research Society Symposium Proceedings. Vol.493(印刷中). (1998)