Study on ferroelectric HfxZr1-xO2 ultra-thin films fabricated using atomic layer deposition for three-dimensional device applications

利用原子层沉积制备铁电 HfxZr1-xO2 超薄膜的三维器件应用研究

• 批准号: 18J22998
• 负责人: 女屋 崇
• 金额: $ 1.41万
• 依托单位: Meiji University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2018
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2018-04-25 至 2021-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-18J22998/
• 关键词: ハフニウムジルコニウム酸化膜; ハフニア; ジルコニア; 強誘電体; 原子層堆積法; プラズマ原子層堆積法; 低温形成; 疲労特性; 極薄膜; 核生成層

本年度は、HfxZr1-xO2 (HZO)膜の結晶構造制御及び強誘電性の向上に寄与するZrO2膜を用いた(a) HZO/ZrO2積層膜による強誘電体HZO膜の信頼性の改善、及び(b) 強誘電体HZO膜の低温形成技術確立へ向けた原子層堆積(ALD)法における酸化剤ガスの検討に取り組んだ。(a) 先行研究で培った知識を生かして高耐圧且つ良好な強誘電性を維持したHZO/ZrO2積層膜を作製して、実デバイス応用へ向けたこれらHZO/ZrO2積層膜の有用性を実証した。また、実用上有益な長期信頼性に関しても評価を加え、新たな強誘電体不揮発性メモリの実現に資する有益な成果が得られたことは大きな発展である。(b) 酸化剤ガスとして各々H2O及びO2プラズマを用いた熱及びプラズマALD法、及び300~400°Cの低温熱処理によりHZO膜を形成して、放射光Ｘ線源を用いた詳細な結晶構造解析に取り組んだ。ALD法による成膜時の酸化剤ガス及び熱処理温度が強誘電相である直方晶相の形成に及ぼす効果を詳細に評価したことで、実験室系X線回折による結晶構造評価では困難であったHZO膜の結晶構造と強誘電性の重要な関係を解明した。また、低温形成技術確立へ向けたHZO膜の成膜手法としてプラズマALD法が有効であると結論付けた。以上の成果は、学術論文だけでなく、国際・国内会議で積極的に報告した。また、MANA International Symposium 2021では、Excellent Poster Presentation Awardを受賞したことから、これらHZO膜の新たな作製技術が世界的に関心を集めている結果であると考えている。なお、これらの研究は、テキサス大学ダラス校、ブルックヘブン国立研究所及び国立研究開発法人 物質・材料研究機構との共同研究によって実施された。

This year, the crystal structure control of HfxZr1-xO2 (HZO) films and the improvement of ferroelectric properties of ZrO2 films were investigated by (a) improving the reliability of ferroelectric HZO films for HZO/ZrO2 multilayer films, and (b) establishing the low-temperature formation technology of ferroelectric HZO films, and (c) developing the acidification agent for atomic layer deposition (ALD). (a)The first research is to develop knowledge of high voltage resistance and good electrical conductivity and to demonstrate the usefulness of HZO/ZrO2 multilayer films. The results of the evaluation of long-term reliability and the development of new inductive materials are beneficial. (b)H2O and O2 are formed by ALD method and low temperature heat treatment at 300~400°C. X-ray source is used to analyze crystal structure. The acid temperature and heat treatment temperature of ALD film formation make it difficult to evaluate the crystal structure of HZO film in detail. In addition, the film formation method of HZO film and the Plasma-ALD method are effective since low-temperature formation technology has been established. The above achievements are positive reports on academic papers, international and domestic conferences. MANA International Symposium 2021 Excellent Poster Presentation Award Winner of the World's Concern for New Manufacturing Technology of HZO Films National Research Institute and National Research and Development Corporation Materials Research Institute

项目成果

The effect of oxygen source on ferroelectricity of atomic layer deposited Hf0.5Zr0.5O2 thin film

氧源对原子层沉积Hf0.5Zr0.5O2薄膜铁电性的影响

• 发表时间: 2020
• 作者: Yong Chan Jung;Jaidah Mohan;Harrison S. Kim;Heber Hernandez-Arriga;Takashi Onaya;Kihyun Kim;Namhun Kim;Si Joon Kim;Atsushi Ogura;Rino Choi;Jinho Ahn;and Jiyoung Kim
• 通讯作者: and Jiyoung Kim

Impact of Top-ZrO2 Nucleation Layer on Ferroelectricity of HfxZr1－xO2 Thin Films for Ferroelectric Field Effect Transistor Application

顶部ZrO2成核层对铁电场效应晶体管HfxZr1－xO2薄膜铁电性的影响

• 发表时间: 2018
• 作者: Takashi Onaya;Toshihide Nabatame;Naomi Sawamoto;Kazunori Kurishima;Akihiko Ohi;Naoki Ikeda;Takahiro Nagata;Atsushi Ogura
• 通讯作者: Atsushi Ogura

Ferroelectricity of 300°C Low Temperature Fabricated HfxZr1－xO2 Thin Films by Plasma-Enhanced Atomic Layer Deposition using Hf/Zr Cocktail Precursor

使用 Hf/Zr 混合前驱体等离子体增强原子层沉积 300°C 低温制备 HfxZr1－xO2 薄膜的铁电性

• 发表时间: 2020
• 作者: Takashi Onaya;Toshihide Nabatame;Yong Chan Jung;Heber Hernandez-Arriaga;Jaidah Mohan;Harrison S. Kim;Ava Khosravi;Naomi Sawamoto;Chang-Yong Nam;Esther H. R. Tsai;Takahiro Nagata;Robert M. Wallace;Jiyoung Kim;and Atsushi Ogura
• 通讯作者: and Atsushi Ogura

A Combinatorial Approach to the Ferroelectric Properties in HfxZr1-xO2 Deposited by Atomic Layer Deposition

原子层沉积 HfxZr1-xO2 铁电性能的组合方法

• 发表时间: 2020
• 作者: Jaidah Mohan;Si Joon Kim;Heber Hernandez-Arriga;Yong Chan Jung;Takashi Onaya;Harrison S. Kim;Namhun Kim;Kihyun Kim;Atsushi Ogura;Rino Choi;Myung Mo Sung;and Jiyoung Kim
• 通讯作者: and Jiyoung Kim

Characteristics of Oxide TFT Using Carbon-Doped Ιn2O3 Thin Film Fabricated by Low-Temperature ALD Using Ethylcyclopentadienyl Indium (Ιn-EtCp) and H2O & O3

使用乙基环戊二烯基铟 (ln-EtCp) 和 H2O 和 O3 通过低温 ALD 制造的碳掺杂 In2O3 薄膜的氧化物 TFT 的特性

• DOI: 10.1149/09203.0003ecst
• 发表时间: 2019
• 期刊: ECS Transactions
• 作者: Kobayashi Riku;Nabatame Toshihide;Kurishima Kazunori;Onaya Takashi;Ohi Akihiko;Ikeda Naoki;Nagata Takahiro;Tsukagoshi Kazuhito;Ogura Atsushi
• 通讯作者: Ogura Atsushi