界面制御による貴金属フリー強誘電体キャパシタの高品質化と高集積化プロセス開発

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14J12298
• Research Institution: Osaka Prefecture University
• Principal Investigator: 髙田 瑶子 大阪府立大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2014-04-25 – 2017-03-31
• Keywords: 強誘電体キャパシタ / 非貴金属酸化物電極 / 中間層 / 水素劣化耐性 / 疲労特性 / TOF-SIMS

Outline of Annual Research Achievements

強誘電体メモリの低コスト化、高集積化、高性能化を実現するために、安価、耐熱性、耐酸化性、易加工性である非貴金属酸化物導電体Al:ZnO (AZO)およびSn:In2O3 (ITO)を従来の貴金属代替の電極材料に用いた。また、白金下部電極/強誘電体(Pb,La)(Zr,Ti)O3 (PLZT)間の中間層として、AZOおよびITOを用いた強誘電体キャパシタ (AZO/PLZT/AZO/Pt, ITO/PLZT/ITO/Pt)を作製した。
今年度は、中間層と上部電極にAZOおよびITOを用いた強誘電体キャパシタの電気特性を調査した。
AZO/PLZT/AZO/PtキャパシタのAZO中間層膜厚を0から120 nmに変化させた結果、分極－電圧 (P-V)ヒステリシスループの形状が劣化し、残留分極値 (2Pr)が大きく変化した。一方、ITO/PLZT/ITO/PtキャパシタのITO中間層膜厚を0から65 nmに変化させてもP-Vヒステリシスループの形状および2Prは変化しなかった。
作製した2種類の強誘電体キャパシタに対して、3%水素雰囲気下、200℃、1 Torrで45分間加熱させ、水素劣化耐性を評価した。中間層がない場合と比較して、AZOあるいはITO中間層を挿入した強誘電体キャパシタの方が45分後の2Prの保持率は高かった。しかし、AZOあるいはITO中間層を挿入しても、疲労特性は改善しなかった。
また、中間層なしの強誘電体キャパシタ (AZO/PLZT/Pt, ITO/PLZT/Pt)に対して水素劣化による膜中の水素分布を飛行時間型二次イオン質量分析法を用いて評価した。3%水素雰囲気下で45分間加熱後、ITO/PLZT/Ptキャパシタの方が、水素劣化後の強誘電体PLZT薄膜中の水素イオン強度増加量が大きく、AZO膜の方が水素に対する耐性が強いことが分かった。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初の予定では、強誘電体薄膜と下部電極の間の中間層として、酸化物導電体を用いた強誘電体キャパシタの作製を行い、酸化物導電体の種類、製膜条件、製膜後のアニール条件の変化による酸化度、配向性、組成を大まかに選定する予定だった。現在まで、酸化物導電体中間層の種類や膜厚変化による強誘電体薄膜の配向性、配向面、表面形態や強誘電体キャパシタの電気特性に及ぼす影響調査まで進展している。また、中間層を有さない強誘電体キャパシタにおいて、飛行時間型二次イオン質量分析法を用いて強誘電体キャパシタの各膜中の深さ方向の水素分布を評価した。

Strategy for Future Research Activity

今後は、安価な導電性酸化物電極の利用および強誘電体薄膜の配向性制御を融合させて、より結晶性、信頼性の高い導電性酸化物電極を用いた強誘電体キャパシタの作製および評価に取り組む予定である。
また、飛行時間型二次イオン質量分析法を用いて強誘電体薄膜中の水素の拡散挙動の解析を行っているが、水素を用いた場合、試料に含有される水素か装置の残留ガス由来の水素なのかの区別が困難である。そこで水素の代わりに重水素を用いて、膜中水素の定量性を改善する予定である。

Research Products

• [Journal Article] Effect of excess Pb on ferroelectric characteristics of conductive Al-doped ZnO and Sn-doped In2O3 top electrodes in PbLaZrTiOx capacitors (2015)
  • Author(s): Yoko Takada, Toru Tsuji, Naoki Okamoto, Takeyasu Saito, Kazuo Kondo, Takeshi Yoshimura, Norifumi Fujimura, Koji Higuchi, and Akira Kitajima
  • Journal Title: International Journal of Materials Research Volume: 106 Pages: 83-87
  • DOI: 10.3139/146.111154
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effect of Al-doped ZnO or Sn-doped In2O3 electrode on ferroelectric properties of (Pb,La)(Zr,Ti)O3 capacitors (2015)
  • Author(s): Yoko Takada, Toru Tsuji, Naoki Okamoto, Takeyasu Saito, Kazuo Kondo, Takeshi Yoshimura, Norifumi Fujimura, Koji Higuchi, Akira Kitajima, and Hideo Iwai
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 54 Pages: 05ED03
  • DOI: 10.7567/JJAP.54.05ED03
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] The effect of H2 distribution in (Pb,La)(Zr,Ti)O3 capacitors with conductive oxide electrodes on the degradation of ferroelectric properties (2015)
  • Author(s): Yoko Takada, Naoki Okamoto, Takeyasu Saito, Kazuo Kondo, Takeshi Yoshimura, Norifumi Fujimura, Koji Higuchi, Akira Kitajima, and Hideo Iwai
  • Journal Title: Mater. Res. Soc. Symp. Proc. Volume: 1729 Pages: in press
  • DOI: 10.1557/opl.2015.263
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Improved reliability properties of (Pb,La)(Zr,Ti)O3 ferroelectric capacitors by thin aluminium-doped zinc oxide buffer layer (2014)
  • Author(s): Yoko Takada, Toru Tsuji, Naoki Okamoto, Takeyasu Saito, Kazuo Kondo, Takeshi Yoshimura, Norifumi Fujimura, Koji Higuchi, and Akira Kitajima
  • Journal Title: Electronics Letters Volume: 50 Pages: 799-800
  • DOI: 10.1049/el.2014.0187
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Aluminum-doped zinc oxide electrode for robust (Pb,La)(Zr,Ti)O3 capacitors: effect of oxide insulator encapsulation and oxide buffer layer (2014)
  • Author(s): Yoko Takada, Toru Tsuji, Naoki Okamoto, Takeyasu Saito, Kazuo Kondo, Takeshi Yoshimura, Norifumi Fujimura, Koji Higuchi, Akira Kitajima, and Akihiro Oshima
  • Journal Title: Journal of Materials Science: Materials in Electronics Volume: 25 Pages: 2155-2161
  • DOI: 10.1007/s10854-014-1853-y
  • Peer Reviewed
• [Presentation] The effect of H2 distribution in the PLZT capacitors with conductive oxide electrodes on the degradation of ferroelectric properties (2014)
  • Author(s): Yoko Takada, Taiga Amano, Naoki Okamoto, Takeyasu Saito, Kazuo Kondo, Takeshi Yoshimura, Norifumi Fujimura, Koji Higuchi, and Akira Kitajima
  • Organizer: 2014 MRS Fall Meeting
  • Place of Presentation: Hynes Convention Center, Boston, Massachusetts, USA
  • Year and Date: 2014-11-30 – 2014-12-05
• [Presentation] Comparative study of the ferroelectric properties employed with Al:ZnO and Sn:In2O3 electrode PbLaZrTiOx capacitors (2014)
  • Author(s): Yoko Takada, Taiga Amano, Naoki Okamoto, Takeyasu Saito, Kazuo Kondo, Takeshi Yoshimura, Norifumi Fujimura, Koji Higuchi, and Akira Kitajima
  • Organizer: ADMETA Plus 2014
  • Place of Presentation: Yayoi Auditorium Ichijo Hall, The University of Tokyo, Tokyo, Japan
  • Year and Date: 2014-10-22 – 2014-10-24
• [Presentation] 導電性酸化物電極を用いた強誘電体キャパシタの作製と劣化機構 (2014)
  • Author(s): 髙田瑶子, 天野泰河, 岡本尚樹, 齊藤丈靖, 近藤和夫, 吉村 武, 藤村紀文, 樋口宏二, 北島 彰
  • Organizer: 化学工学会 第46回秋季大会
  • Place of Presentation: 九州大学 (伊都キャンパス), 福岡市
  • Year and Date: 2014-09-17 – 2014-09-19