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

1998 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 09555099
• 研究機関: 奈良先端科学技術大学院大学
• 研究代表者: 塩嵜 忠 奈良先端科学技術大学院大学, 物質創成科学研究科, 教授 (80026153)
• 研究分担者: 大西 茂夫 シャープ(株), 超LSI開発研究所, 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) ; 岡村 総一郎 奈良先端科学技術大学院大学, 物質創成科学研究科, 助教授 (60224060)
• キーワード: 強誘電体不揮発性メモリー / Pb(Zr, Ti)O_3 / 高速大面積成長 / MOCVD / Ir系電極 / 原料純度 / サイズ効果 / 空間電荷

研究概要

強誘電体不揮発性メモリーの実用化に向けて、MOCVD法によるチタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr,Ti)O_3;PZT)を初めとする強誘進体薄膜の高速大面積成長ならびにその特性の評価を行った。6〜8インチウェハ上にPZT薄膜の堆積を試み、組成分布±★%、膜厚分布±1.2%の均質な薄膜を得た。しかし、バブリングによる原料供給での成膜速度は4〜l5nm/minであり、量産化には十分とは言えない。電気的特性に関しては、Ir電極を用いることで分極反転疲労特性は改善されるが、Ir膜厚が薄く(23nm)なるとその効果が薄れることを見出した。特性が改善された膜においてはPZT/Ir界面にPb-Irアモルファス層が生成されており、それが拡散抑止層として働いているのではないかと推察した。IrO_2/Ir/PZT/Ir/IrO_2構造とすることで更なる特性の改善が確認された。また、MOCVD原料の純度と強誘電特性との関係について検討し、純度99.995%の原料を用いた場合よりも純度99.9999%の原科を用いた方が、分極反転疲労特性、リーク電流特性、絶縁破壊特性のいずれにおいても優っていることを示した。PZT薄膜のサイズ効果については、膜厚が200nm以下となると特性が劣化する傾向が見られたが、膜厚の減少とともに粒径も変化しているので、両者の効果を分離することはできなかった。そこで、下部Ir電極を変えることでほぼ同じ膜厚のPZT薄膜の粒径を制御することに成功し、粒径の効果についてのみ分離し検討した。その結果、粒径が150nm以下あたりから残留分極量の劣化が始まることを明らかにした。疲労特性やインプリント特性の原因としては、膜中の酸素空孔等の欠陥が電界や自発分極によって移動し、界面や粒界でトラップされて空間電荷分布を形成することによりヒステリシスのシフトや残留分極の低下が起こるとの結論を得た。

研究成果

• [文献書誌] M.SHIMIZU 他3名: "Influence of Purity of Source Precursors on the Electrical Properties of Pb(Zr,Ti)O3 Thin Films Prepared by Metalorganic Chemical Vapor Deposition" Japan Journal of Applied Physics. Vol,37. 5132-5136 (1998)
• [文献書誌] Tadashi Shiosaki 他6名: "ELECTRICAL PROPERTIES OF PZT THIN FILMS GROWN ON Ir/IrO2 BOTTOM ELECTRODES BY MOCVD" Integrated Ferroelectrics. Vol.21. 107-114 (1998)
• [文献書誌] Tadashi Shiosaki Masaru Shimizu: "Pb-based and Bi-based Ferroelectric thin Films" Journal of Korean Physical Society. Vol.32. 1316-1320 (1998)
• [文献書誌] Masaru Shimizu Tadashi Shiosaki: "Properties of Pb(Zr,Ti)O3 Thin Films Grown by MOCVD and Their Applications to Memory Devices" The Institute of Electronics, Technical report of IEICE. ED97-207. 19-24 (1998)
• [文献書誌] Tadashi Shiosaki 他4名: "Highly Oriented Nb-Doped Lead Titanate Thin Films by Reactive Sputtering: Fabrication and structure Analysis" Japan Journal of Applied Physics. Vol,37. 4539-4543 (1998)
• [文献書誌] Hirotake Okino, Shiosaki Tadashi 他4名: "CONTROL OF GRAIN SIZE OF Pb(Zr,Ti)O3 THIN FILMS BYMOCVD AND THE EFFECT OF SIZE ON THE ELECTRICL PROPERTIES" Japan Journal of Applied Physics. Vol,37. 5137-5140 (1998)