不揮発性メモリ用強誘電体薄膜の特性劣化機構の解明および強誘電体単結晶を利用した圧電素子設計と作製

阐明非易失性存储器用铁电薄膜的特性劣化机制，以及使用铁电单晶的压电元件的设计和制造

• 批准号: 04F04349
• 负责人: 塩嵜 忠
• 金额: $ 1.54万
• 依托单位: Nara Institute of Science and Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2004
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2004 至 2005
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-04F04349/
• 关键词: 強誘電体薄膜メモリ; 分極反転疲労現象; スパッタ法; PZT; 反強誘電体; ジルコン酸鉛; スピンコーティング法; バッファ層; 強誘電体; 単結晶; 圧電特性; 不揮発性メモリ; 薄膜

不揮発性メモリやマイクロマシン(MEMS)応用を期待して、強誘電体薄膜は過去15年ほどの研究を経て現在非常に注目されるようになっている。これらの薄膜材料の中でも不揮発性メモリ素子応用にはPb(Zr,Ti)O_3(PZTと略す)系の化合物が代表的で、それは薄膜作製が容易なことと高い残留分極、高いスイッチング速度、高いキュリー温度といった特性、比較的低いプロセス温度のためである。しかし分極疲労つまりスイッチングサイクルの繰り返しでの残留分極低下がPt電極上のPZTで発生し、不揮発性メモリの実現への重大な障害になっていた。本研究では新規なバッファ層と疲労耐性材料を用いてこの問題の対策を試みた。PZTの疲労耐性を向上するため、PZT薄膜とPt電極の間のバッファ層として反強誘電体PbZrO_3(ジルコン酸鉛)の調査に取り組んだ。2種類の異なる手法を用いて反強誘電体PZ薄膜を得た。それは、sol-gelスピンコーティング法とRFマグネトロンスパッタ法である。sol-gel法にて、均質なPZ結晶化膜を得られる作製条件を詳細に研究した。プロセス条件としては、ドーピング組成、アニーリング、焼成温度の影響について調べた。良好な結晶が得られる最適条件を決定でき、[111]結晶配向PZ薄膜で均一な微細構造が得られ、それらは3件の論文にまとめた。そのうち2件はすでに公表を済ませ、のこり1件は公表が受理されている。RFマグネトロンスパッタ法においてもPZバッファ層の最適作製条件を決定した。この課題における現在の研究としてはRFマグネトロンスパッタ法で得たPZ薄膜の電気的特性の評価と微細構造の最適化を進めている。前節の研究にはRFマグネトロンスパッタ法で得たPZ薄膜を用いたが、sol-gel法に比べてスパッタPZ膜の微細構造は均質であったためである。さらに、RFマグネトロンスパッタは様々な組成でさらに薄い膜を得るのに適していることがわかった。PZT/PZ多層構造の初期段階の結果では疲労耐性は格段に改善した。10^9回の分極反転まで疲労は観測されなかった。この成果は現在投稿中である。以上の成果から、疲労現象の物理現象の理解への展望を得、疲労耐久性を改善することができた。

借助非易失性记忆和微电（MEMS）应用，铁电薄膜现在在过去15年中研究后一直引起人们的关注。在这些薄膜材料中，PB（ZR，TI）O_3（缩写为PZT）化合物是非挥发性记忆设备的典型代表，这是由于它们易于制造薄膜的制造，高剩余极化，高的开关速度，高居里速度，高居里温度和相对较低的过程温度。然而，极化疲劳，即重复开关周期的残余极化减少，发生在PT电极上的PZT中，导致严重的障碍，无法实现非挥发性记忆。在这项研究中，我们试图使用新型的缓冲层和抗疲劳材料来解决这个问题。为了提高PZT的疲劳抗性，我们研究了抗fiferroelelectric PBZRO_3（锆铅）作为PZT薄膜和PT电极之间的缓冲层。使用两种不同的方法获得了抗抗抗原PZ薄膜。这些是Sol-Gel自旋涂层和RF Magnetron溅射。通过Sol-Gel方法详细研究了获得均质PZ结晶膜的制造条件。研究了掺杂组成，退火和放电温度的影响作为过程条件。可以确定获得良好晶体的最佳条件，并可以使用[111]面向晶体的PZ薄膜获得均匀的微观结构，这些薄膜已被编译成三篇论文。其中两个案件已经宣布，并宣布了一个严重的案件。在RF磁控溅射方法中，还确定了PZ缓冲层的最佳制造条件。作为有关此问题的当前研究，我们正在评估通过RF磁铁溅射方法获得的PZ薄膜的电性能，并优化了精细结构。先前的研究使用了通过RF磁控溅射法获得的PZ薄膜，但这是因为与SOL-GEL方法相比，溅射PZ膜的精细结构是均匀的。此外，已经发现RF磁控管溅射适合在各种组合物中获得较薄的薄膜。 PZT/PZ多层结构的初始结果显着提高了疲劳性耐药性。直到10^9极化反转之前，才观察到疲劳。目前正在发布此成就。从上面的结果来看，我们已经获得了理解疲劳现象的物理现象的观点，并能够提高疲劳耐用性。

项目成果

Texture Development in KSr_2Nb_5O_<15> Ceramics Fabricated by Reactive Templated Grain Growth

反应模板晶粒生长制备的 KSr_2Nb_5O_<15> 陶瓷的织构发展

• 发表时间: 2004
• 期刊: Key Engineering Materials 264-268
• 作者: K.Yurdal;C.Duran;S.Alkoy;H.I.Bakan
• 通讯作者: H.I.Bakan

Effects of Ce, Cr, Er doping and annealing conditions on the microstructural features and electrical properties of PbZrO_3 thin films prepared by sol-gel process

Ce、Cr、Er掺杂及退火条件对溶胶-凝胶法制备PbZrO_3薄膜微观结构特征和电学性能的影响

• 发表时间: 2005
• 期刊: Japanese Journal of Applied Physics 44・9A
• 作者: TANG Xiaowei;SATO Tadanobu;E.Mensur Alkoy
• 通讯作者: E.Mensur Alkoy

Gelcasting of Pb(Zi, Ti)O_3 Based Piezoelectric Ceramics

Pb(Zi,Ti)O_3基压电陶瓷的凝胶注模成型

• 发表时间: 2004
• 期刊: Key Engineering Materials 264-268
• 作者: D.Abanoz;H.Yanik;A.Capoglu;S.Alkoy
• 通讯作者: S.Alkoy