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

原子水平氧空位控制的纳米层压复合功能膜及巨介电常数机理

基本信息

批准号：
20H02189
负责人：
生田目俊秀
金额：
$ 11.23万
依托单位：
National Institute for Materials Science
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

2021年度までに、ZrO2/Al2O3またはAl2O3/ZrO2積層構造で、積層の違いが誘電率に影響する事を見出した。2022年度は、ZrO2の母材へのNbOxドーピングついて検討した。(ZrO2)1/(NbOx)1ナノラミネートで、300℃で、H2O酸化ガスの原子層堆積法(ALD)で作製した。As-grown膜はアモルファス構造であった。N2又はO2で、450℃の急速加熱処理でも、アモルファス構造を維持した。このナノラミネート膜を絶縁膜とした上下電極がTiNのMIMキャパシタを作製した。低温度、真空中、I-V測定を実施した。アモルファス構造のナノラミネート膜の誘電率は、リファレンスとして作製した結晶化したZrO2絶縁膜に比べて、約10小さな誘電率であり、ZrO2を母材とした場合には、結晶化が重要である事が分かった。2021年度からの (HfO2)2/(Al2O3)1及び(HfO2)2/(SiO2)1のナノラミネートをGaNパワーデバイスの絶縁膜とした継続研究で、信頼性評価のために、正電圧下(PBS)でのC-V測定が可能な計測プログラムを組んだ。(HfO2)2/(Al2O3)1及び(HfO2)2/(SiO2)1ナノラミネート膜は、800℃熱処理で、各々、アモルファスなHfAlOx及びHfSiOx膜となった。フラットバンド電圧(Vfb)から実効電界を8.8MVcm-1、ストレス時間300sのPBSで、認められた正のVfbシフト値は0.24Vと非常に小さく、GaN/HfAlOx及びGaN/HfSiOx界面が電子トラップする欠陥が少ない事を明らかにできた。もう一つのHfZrOx強誘電体膜では、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事を2021年度までに報告したが、その要因について、放射光を用いた界面解析を実施した。

到 2021 财年，我们发现层压差异会影响 ZrO2/Al2O3 或 Al2O3/ZrO2 层压结构的介电常数。 2022 年，我们研究了 NbOx 掺杂到 ZrO2 基材中。 (ZrO2)1/(NbOx)1 纳米层压材料是通过原子层沉积 (ALD) 在 H2O 氧化气体中于 300 °C 制备的。生长的薄膜具有非晶结构。即使在 450°C 下用 N2 或 O2 快速热处理后，仍保持非晶结构。我们使用这种纳米层压薄膜作为绝缘膜，制作了具有 TiN 上下电极的 MIM 电容器。 I-V 测量在低温和真空中进行。具有非晶结构的纳米层压膜的介电常数比作为参考制备的结晶ZrO2绝缘膜的介电常数小约10，这表明当ZrO2用作基础材料时结晶很重要。从 2021 年开始，在正电压下使用 (HfO2)2/(Al2O3)1 和 (HfO2)2/(SiO2)1 纳米层压材料作为 GaN 功率器件的绝缘膜继续进行研究（我们创建了一个测量程序，可以测量使用 PBS 进行 C-V）。通过800℃的热处理，(HfO2)2/(Al2O3)1和(HfO2)2/(SiO2)1纳米层压膜分别变成非晶HfAlOx和HfSiOx膜。在平带电压 (Vfb) 的有效电场为 8.8 MVcm-1 且应力时间为 300 s 的 PBS 中，观察到的正 Vfb 偏移值非常小，为 0.24 V，并且 GaN/HfAlOx 和 GaN/HfSiOx很明显，界面上几乎没有缺陷。在2021财年，我们报道了另一种HfZrOx铁电薄膜通过在ALD中使用等离子体氧作为氧化剂能够在300℃下获得优异的铁电性能，但我们不知道其背后的原因，使用同步辐射进行了界面分析。

项目成果

期刊论文数量（41）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

Improvement in ferroelectricity and breakdown voltage of over 20-nm-thick HfxZr1-xO2/ZrO2 bilayer by atomic layer deposition

通过原子层沉积提高超过 20 nm 厚的 HfxZr1-xO2/ZrO2 双层的铁电性和击穿电压

DOI：
10.1063/5.0029709
发表时间：
2020
期刊：
影响因子：
4
作者：
Onaya Takashi;Nabatame Toshihide;Inoue Mari;Jung Yong Chan;Hern;ez;Mohan Jaidah;Kim Harrison Sejoon;Sawamoto Naomi;Nagata Takahiro;Kim Jiyoung;Ogura Atsushi
通讯作者：
Ogura Atsushi

TiN下部電極の表面酸化による強誘電体TiN/HfxZr1－xO2/TiNキャパシタの分極疲労の抑制

TiN下电极表面氧化抑制铁电TiN/HfxZr1-xO2/TiN电容器的极化疲劳

DOI：
发表时间：
2023
期刊：
影响因子：
0
作者：
女屋崇; 生田目俊秀; 森田行則; 太田裕之; 右田真司; 喜多浩之; 長田貴弘; 塚越一仁; 松川貴
通讯作者：
松川貴

Investigation of HfSiOx gate insulator formed by changing fabrication process conditions for GaN power device

改变GaN功率器件制造工艺条件形成HfSiOx栅绝缘体的研究

DOI：
发表时间：
2021
期刊：
影响因子：
0
作者：
Toshihide Nabatame; Erika Maeda; Mari Inoue; Masashi Hirose; Ryota Ochi; Yasuhiro Irokawa; Tamotsu Hashizume; Koji Shiozaki; Yasuo Koide
通讯作者：
Yasuo Koide

Improvement of Ferroelectricity and Fatigue Property of Thicker HfxZr1－xO2/ZrO2 Bi-layer

厚层HfxZr1－xO2/ZrO2双层铁电性和疲劳性能的改善