強誘電体の電極界面付近の分極反転に伴う欠陥形成とその制御法

铁电材料电极界面附近极化反转缺陷的形成及其控制方法

基本信息

批准号：
22K04237
负责人：
角嶋邦之
金额：
$ 2.66万
依托单位：
Tokyo Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K04237/
关键词：
強誘電体

项目摘要

2019年に発見されたAlScN膜(0.1<x<0.46) の強誘電性は、高い残留分極(>140uC/cm2)と製造容易性の観点から将来の高集積・低消費電力用の強誘電体メモリ材料として期待できる。しかし、高いリーク電流と、強誘電体の分極反転回数(スイッチング回数)が10,000回程度と少ないことが直面する課題である。本研究はAlScN膜のリーク電流の主要因である窒素欠損を補償する技術を確立し、強電界印加によるスイッチングに伴う金属電極近傍のAlScN膜の原子挙動を明確化する。2022年度はAlScN膜にスイッチング回数を向上するために、抗電界を低減する技術を模索した。酸素を混入する検討を行った結果、抗電界を制御して低減できることを実験的に示した。酸素を導入することでAl欠損が形成されることが知られており、窒素原子の変位のエネルギーが低下したと考えられる。酸素の導入によって抗電界と絶縁破壊電界の電界マージンを大きくすることができたが、信頼性向上が期待されたが、スイッチング回数では特に大きな改善効果はみられなかった。一方、放射光を用いた光電子分光では、酸素混入によるバンドギャップの変化は小さいことが分かった。一方で、逆にAlScN膜と金属の界面の混入酸素量を低減した試料を作製した結果、リーク電流の抑制と共にスイッチング回数の向上を得ることができた。このことはAlScN膜と金属の界面に存在する酸素原子が信頼性に影響を与えていることが分かった。本成果は強誘電体AlScN膜の信頼性を向上する一つの指針を示す内容であり、意義が大きいと考えている。

2019年发现的AlScN薄膜（0.1<x<0.46）的铁电特性，从高剩余极化（>140uC/cm2）和易于制造的角度来看，使其成为未来高集成、低功率铁电体的有前途的材料。它有望成为一种记忆材料。然而，面临的挑战是铁电材料的漏电流高，极化反转（开关次数）少，约为10,000次。本研究建立了一种补偿氮空位的技术，氮空位是 AlScN 薄膜中漏电流的主要原因，并阐明了在施加强电场的开关过程中 AlScN 薄膜靠近金属电极的原子行为。 2022财年，我们探索了降低矫顽电场的技术，以提高AlScN薄膜的开关频率。通过研究氧的混合，实验表明可以控制和降低矫顽电场。已知通过引入氧而形成Al空位，并且认为氮原子的位移能降低。通过引入氧气，我们能够增加矫顽电场和介电击穿电场之间的电场裕度，这有望提高可靠性，但在开关周期数方面没有观察到显着改善。另一方面，在使用同步加速器辐射的光电子能谱中，发现由于氧污染而引起的带隙变化很小。另一方面，通过制作减少了AlScN膜与金属界面处的混合氧量的样品，我们能够抑制漏电流并增加开关周期数。这表明AlScN薄膜和金属之间界面处存在的氧原子影响可靠性。我们相信这一结果具有重要意义，为提高铁电AlScN薄膜的可靠性提供了指导。