放射光を用いた強誘電体薄膜の解析

東工大1、名大2、JASRI/SPring-83、NIMS/SPring-84

舟窪浩1、清水荘雄1、山田智明1, 2、

今井康彦3、木村滋3、坂田修身3,4

第５回次世代デバイス研究会/第19回SPring８先端利用技術ワークショップ日時：2017年11月2日（木）13:00-19：00 会場：AP品川

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目次

１．背景

強誘電体とは

次世代先端デバイス

２．HfO2極薄膜の測定

３．圧電MEMS応用に向けた測定

４．今後の展望

目次

１．背景

強誘電体とは

次世代先端デバイス

２．HfO2極薄膜の測定

３．圧電MEMS応用に向けた測定

４．今後の展望

Pola

riza

tion

Electric Field

Palaelectricity Ferroelectricity

Antiferroelectricity Ferrielectricity

Polarization vs Electric Field

Ferroelectricity

O

OA

A

A

A

BOO

A

A

Perovskite StructureP - E Hysteresis

O

OA

A

A

A

BOO

A

A

・Stable Two states Without Electric Field・Remanent Polarization・ Hysteresis Loops

''0''

''1''

AD

0 EcE

P

PrPs

-Ec

B C

B'C'

D'-Pr-Ps

圧電体とは？

stress-induced electricity

+ + + +

- - - -

1880 P. Curie & J. Curie

electric field-induced displacement

1881 Lippman

正圧電効果（direct piezoelectric effect）

逆圧電効果（inverse piezoelectric effect）

誘電体

圧電体

焦電体

強誘電体

強誘電体は誘電性、圧電性、焦電性を併せ持つ。

自発分極をもつ

外場により自発分極が反転可能

結晶構造が対称中心を持たず、イオンが変位して分極を生じる。

メモリデバイスの分類および動作原理

* 日経エレクトロニクス (2001年2月12日号)

メモリデバイスの性能比較

※ 日本セラミックス協会 第19回電子材料部会セミナー斎藤好昭 「磁気抵抗効果メモリと磁気抵抗効果材料」2000年11月22日

記録情報の不揮発性

セルサイズ（相対値）

書き込み速度

読み出し速度

書き換え回数の限界

消費電力

製造コスト（相対値）

DRAM FLASH FeRAM MRAM PSRAM

× ○ ○ ○

~ 1 ~ 0.5 ~ 1 ~ 1

50 ns > 20,000ns 80~130 ns 5~50 ns

50 ns 20~110 ns 80~130 ns 5~50 ns

1012 105 1012 1015

400 mW 100 mW 2 mW 10~400 mW

1 1~2 1 1~3

○

PSRAM

PSRAM

PSRAM

PSRAM

PSRAM

PSRAM

9

圧電体

stress-induced electricity

+ + + +

- - - -

1880 P. Curie & J. Curie

electric field-induced displacement

1881 Lippman

正圧電効果（direct piezoelectric effect）

逆圧電効果（inverse piezoelectric effect）

誘電体

圧電体

焦電体

強誘電体

強誘電体は誘電性、圧電性、焦電性を併せ持つ。

自発分極をもつ

外場により自発分極が反転可能

結晶構造が対称中心を持たず、イオンが変位して分極を生じる。

脳（コンピュータ）

神経（ネットワーク網）

手、筋肉（アクチュエータ）：さらなる微細化、高機能化が必要

高度情報社会の実現に向け順調に発達

電気エネルギー 機械エネルギー

圧電素子（アクチュエータの心臓部品）

エネルギー変換素子

電気ー機械エネルギーの変換圧電素子

｢マイクロマシン(MEMS)技術｣

高性能化がマイクロマシンの高性能化に不可欠

動力部分である｢圧電アクチュエータ｣

⑤

印加電界＋ 印加電界－

① ② ③ ④ ⑥

bipolar測定bipolar測定

分極の向き

unipolar測定unipolar測定

S

P

E

E

①

②

③

④

⑥

①

②

③⑥

⑤

④

⑤

S

P

E

E

①

①

②

②

元の大きさ

①②

Electric field ( kV/cm)

Stra

in(%

)

Electric field ( kV/cm)

Stra

in(%

)

実用の用途

bipolar測定とunipolar測定

Electrical Field

Polarization

non-volatile memories

ctric State:rie Point)

Application of Piezoelectric PropertySensor Ink Jet Printer

新規分野新規分野

圧電発電圧電発電

医療応用医療応用

ロボットロボット

家電家電

現応用現応用

圧電体の応用

自律移動ロボット

3次元

超音波診断機

目次

１．背景

強誘電体とは

次世代先端デバイス

２．HfO2極薄膜の測定

３．圧電MEMS応用に向けた測定

４．今後の展望

HfO2薄膜の強誘電性

15

HfO2は強誘電体デバイス作製に有望な材料

[1] K. Mistry et al., IEDM Tech. Dig., 247 (2007).[2] T. S. Boscke et al., Appl. Phys. Lett. 99, 102903 (2011).

Siプロセスとの親和性

Metal

Si

SiGe SiGeHfO2

[1]

ゲート絶縁体 強誘電性の発見

既存の強誘電体材料にない特長

[2]

16

強誘電性の起源

“斜方晶相”

Switchable spontaneous polarizationE

Metastable and noncentrosymmetricorthorhombic phase

AlloyingHeat treatment

Stable Monoclinic phaseJ. Müller, et al., nano. Lett. 12 4318 (2012).

Johannes Müller, et al., Appl. Phys. Lett. 99 102903 (2011).

Orthorhombic a = 5.24 Åb = 5.05 Åc = 5.01 Å

FERROELECTRIC

Y2O3-HfO2 のパフォーマンス

強誘電体トンネルジャンクション

強誘電体トンネルジャンクション

集積強誘電体トンネルジャンクション

強誘電体トンネルジャンクション

メモリスター

25

圧電体

stress-induced electricity

+ + + +

- - - -

1880 P. Curie & J. Curie

electric field-induced displacement

1881 Lippman

逆圧電効果（inverse piezoelectric effect）

誘電体

圧電体

焦電体

強誘電体

強誘電体は誘電性、圧電性、焦電性を併せ持つ。

自発分極をもつ

外場により自発分極が反転可能

結晶構造が対称中心を持たず、イオンが変位して分極を生じる。

トランジスタ応用 ⇒Piezoelectronic transistor (PET)

S

G

D

G

SD S

D

G

ピエゾレジスティブ効果 （応力印加による金属-絶縁体転移）

ピエゾトランジスタ（PET）

目次

１．背景

強誘電体とは

次世代先端デバイス

２．HfO2極薄膜の測定

３．圧電MEMS応用に向けた測定

４．今後の展望

HfO2基強誘電体の特徴

極薄膜でも安定して強誘電性が発現

[1] T. S. Boscke et al., Appl. Phys. Lett. 99, 102903 (2011).

従来の強誘電体にない特徴

極薄膜強誘電体デバイスへの期待

2011年に初めて報告された新規の強誘電体

Hf

O

[1]

HfO2基強誘電体とは

29

HfO2基強誘電体

強誘電体の温度安定性

デバイス応用の観点から高いキュリー点を有することは重要

強誘電体とキュリー点

30

キュリー点の膜厚依存性と配向依存性

強誘電体のキュリー点には膜厚依存性および配向依存性が存在

HfO2基強誘電体においてもキュリー点の膜厚依存性および配向依存性を調査

P

Tetragonal CubicTc

1 10 100 1000200

400

600

800

Tc

[°C]

Thickness [nm]

PT on (100)STO

PT on (100)KTO

BNT-BKT on STO(111)(100)(110)

[3] P. Li et al., J EUR CERAM SOC.36 3139–3145 (2016)

[3]

[2]

[2] S. K. Streiffer et al., Phys. Rev. Lett. 89, 067601 (2002)

P

E

P

E

PT on (100)SRO

HfO2基強誘電体の研究

31

従来の研究 我々の研究

結晶構造解析 困難 容易

結晶相の膜厚依存性

大 小

配向制御 不可能 可能

Substrateelectrode

エピタキシャル成長した7%YO1.5-HfO2 基強誘電体を用いてキュリー点の膜厚依存性、配向依存性を調査

SubstrateITO

多結晶膜

ParaelectricFerroelectric

7%YO1.5-HfO2エピタキシャル成長膜

Ferroelectric

本研究の目的

32

HfO2基強誘電体における温度安定性の調査

エピタキシャル成長した7%YO1.5-HfO2 基強誘電体を用いてキュリー点の膜厚依存性および配向依存性を調査

③ (111)Pt/(100)Si

無配向多結晶膜

(100)Si

(111)PtHfO2

(111)YSZ(111)HfO2

① (111)YSZ

(111)配向エピタキシャル膜

下記の3つの基板上で調査

② (100)YSZ

(100)配向エピタキシャル膜

(100)YSZ(100)HfO2

膜厚依存性を調査

実験方法

33

基板 基板 基板

成膜後HfO2膜

熱処理後HfO2膜室温成膜 熱処理

(111)YSZ(100)YSZPt/Si

製膜法 ：PLD法製膜温度：室温ターゲット：7%YO1.5-93%HfO2 (YHO7)

熱処理温度：1000℃保持時間：10s 雰囲気：N2

高温XRD測定により結晶構造変化を観察キュリー点を調査

極薄膜サンプルおよび多結晶膜などX線回折強度が弱いものはSpring-8 BL15で測定

結論

34

・YHO7膜のキュリー点には配向依存性と膜厚依存性が存在

・(111)配向膜では膜厚の低下に伴いキュリー点が低下

・極薄膜の4.6 nm でも350℃

YHO7強誘電体は膜厚の薄いところまで温度安定性が高く極薄膜デバイスの応用に適応可能

(111)配向膜 58 ~ 140 nm：550℃4.6 ~ 14 nm : 350 ~450℃ （膜厚依存性が存在）

(100)配向膜 14 ~ 86 nm : 550℃多結晶膜 10 nm : 550℃

目次

１．背景

強誘電体とは

次世代先端デバイス

２．HfO2極薄膜の測定

３．圧電MEMS応用に向けた測定

４．今後の展望

圧電性の起源

２. 格子の変形以外の要因弾性ドメインの変化電圧誘起相転移粒界すべり

１. 結晶格子の変形

c domain a domain

90°switching

c domain c domain

電界印加後

電界印加後

P P + Pc c’

a a’

時間分解測定の必要性強誘電体メモリ

• 結晶構造変化 ⇒ メモリの動作そのもの

ドメイン反転のダイナミックス

⇒ 高速動作の限界チェック

信頼性の確保

⇒ 劣化機構の解明

⑤

印加電界＋ 印加電界－

① ② ③ ④ ⑥

bipolar測定bipolar測定

分極の向き

unipolar測定unipolar測定

S

P

E

E

①

②

③

④

⑥

①

②

③⑥

⑤

④

⑤

S

P

E

E

①

①

②

②

元の大きさ

①②

Electric field ( kV/cm)

Stra

in(%

)

Electric field ( kV/cm)

Stra

in(%

)

実用の用途

bipolar測定とunipolar測定

内容

１．測定の動機

２．測定方法の構築

３．測定の実際

Electric Field E

Polarization, PStrain ∆x

∆x = Qij (P2 ー P2r)

P = ε E + Pr ∆x = dij E

Intrinsic value New information

piezoelectric constant dij

electrostrictive coefficient Qij

The Combination of Δx and Polarization Allow us to Determine Electrostrictive Coefficient, Q, of Piezoelectric Films

Measure Bragg position under an applied electric field. ⇒ Lattice strain.

Ferroelectric tester

Q : a conversion factor of electrical energy to mechanical energy

200ns pulse

電気測定と回折の同時測定

Images of in-situ measurements

Microscope

Diffractometer@Exp. hutch 1

Sample & stage equipped w/ Prober (Tungsten, R10 m)

Voltage applied between two top electrodes

Sample (7x 5 mm)

Φ3 mm

圧電性の評価方法について

分極(⊿P)電界(E)

通常の電気測定

エネルギー変換効率

synchrotron-XRDを用いた電界印加時の格子歪観察

格子歪(⊿x) (格子の変形）

• 格子の変形を直接測定できる• 極薄膜でも測定できる• エネルギ変換係数を直接出せる （唯一の方法）• 絶縁性の悪いサンプルでも測定できる

高速パルス

内容

１．測定の動機

２．測定方法の構築

３．測定の実際

100 150 200

In

tens

ity (a

rb. u

nits

)

Raman shift (cm-1)

Pb(Zr0.35Ti0.65)O3 (3m)//SrRuO3//LaNiO3//(100)CaF2

Selected-area electron diffraction patterns (SADP)

Growth of Perfectly Polar-axis-oriented PZT Films From

Bottom to Top Parts

XRD measurementa // = 0.398 nm

c ⊥ = 0.415 nm

a // 0.401 nm

a // 0.401 nm

a // 0.401 nm

c ⊥ 0.416 nm

c ⊥ 0.416 nm

c ⊥ 0.416 nm

CaF2

LaNiO3

SrRuO3

PZT

Diffraction Pattern only from Polar-axis Oriented Domain

Bottom part

Upper part

Middle part

Raman Spectroscopy

Obvious Peak Shift was not Observed

Growth of Almost Uniform Strain Film Along Film Thickness

A1(1TO)

nm-sec Time-resolved synchrotron XRDPolarization Response by 200 nsec Pulse

-150 -100 -50 0 50 100 150-100

-75

-50

-25

0

25

50

75

100

Electric field (kV/cm)

Pola

riza

tion

(C

/cm

2 )

PmaxPr

-150 -100 -50 0 50 100 150-100

-75

-50

-25

0

25

50

75

100

Electric field (kV/cm)

Pola

riza

tion

(C

/cm

2 )

-150 -100 -50 0 50 100 150-100

-75

-50

-25

0

25

50

75

100

Electric field (kV/cm)

Pola

riza

tion

(C

/cm

2 )

PmaxPr

EE=0 =0 EE==EEaa

Result 2-1Lattice Parameter Change with Applied Electric Field

57.4 57.5 57.6 57.7 57.8 57.9 58.00

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

Inte

nsity

(cou

nt)

2 (deg)

(c)

30V20V

10V0V

57.4 57.5 57.6 57.7 57.8 57.9 58.00

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

Inte

nsity

(cou

nt)

2 (deg)

(c)

30V20V

10V0V

0 50 100 150 200 2500.00

0.05

0.10

0.15

0.20

Lat

tice

stra

in (%

)

Electric field (KV/cm)

Piezoelectric Property Estimation － PbZr0.35Ti0.65O3

d33,(obs)

= 60-70pm/Vd33,(obs)

= 65 pm/V

Two Measurement Results Showed Similar Values

Direct Observation of Lattice Change

SPring8 PFM

Piezoelectric Response of This Film Mainly Originated From Lattice Distortion

d33,(obs)

= 60-70pm/V

PFM

EE=0 =0 EE==EEaaEE=0 =0 EE==EEaa

Lattice Strain

EE=0 =0 EE==EEaaEE=0 =0 EE==EEaa EE=0 =0 EE==EEaaEE=0 =0 EE==EEaaEE=0 =0 EE==EEaaEE=0 =0 EE==EEaa EE=0 =0 EE==EEbbEE=0 =0 EE==EEbbEE=0 =0 EE==EEaaEE=0 =0 EE==EEaa

Extrinsic

EE=0 =0 EE==EEaaEE=0 =0 EE==EEaa

Domain Swiching etc.

EE=0 =0 EE==EEbbEE=0 =0 EE==EEbb

+

Lattice Strain

Intrinsic

Schematic of displacement measurement by SPM

probe was contacted onPt top electrode（100 m in diameter）

SubstrateBottom electrode

PZT film

Pulse generator

LaserDetector

Conductivecantilever

A/D Converter

Piezoelectric and ferroelectric properties

Q/V Converter

Displacement meter

PC

Pt top electrode(100m)

・contact AFM mode・field-induced displacement and ferroelectric

property were measured simultaneously

Field-induced displacement of the films was measured usingSPM connected with a Ferroelectric Test System.

Scanner

Ag paste

Feed back signal

定量性の評価

PZT

フリースタンディング⇒ 材料定数 d33、Q11

基板からのクランピング⇒ d33,obs、Q11,obs

Substrate

PZTクランプ

分極軸配向薄膜測定⇒放射光時分割測定⇒PFM測定

単結晶理論計算単結晶測定

クランピングモデルとの比較

Lattice Distortion)：Up to Pico sec(THz)～Sub Nano Sec

(MHz)

Elastic Deformation, Non-180o Domain Switching ：Up to micro sec (kHz)

Reports of Simultaneous Observation of These Two Types of Deformation in Piezoelectric Films are Limited→Direct Observation of These Deformation by In-situ Time-resolved XRD Analysis Under Applied Electric Filed.

Crystal Structure Change Under Appling Electric Filed in Ferroelectric Tetragonal Pb(Zr, Ti)O3 Films

Applicable up to High Frequency Applicable such as Sensors

Impossible to Apply High Frequency applications

Applicable such as Actuators

Intrinsic Effect ＋ Extrinsic Effect（Non180o Domain）

52

a-domain(100)

orientation

c-domain(001)

orientation

60.0

60.5

61.0

61.5

62.0

62.5

2 (d

eg.)

-4.0 -2.0 0.0 2.0 4.056.5

57.0

57.5

58.0

58.5

59.0

(deg.)

2 (d

eg.)

SrRuO3 004c

a DomainPZT 400

KTaO3 004

c-domainPZT 004

(a)

(b)

Model Structure

scan II

scan V

scan I

scan IIIscan IV

Sample Characterization

Typical Structure of 200nm-thic (100)/(001) Tetragonal Pb(Zr, Ti)O3 Films

1. Lattice Distortion: Expected Change under E

53

Lattice Deformation of (001) Domain

Related Change of (100) Domain

2. Out of Plane Lattice of (100) Domain Shrink Response to Shrinkage of In-plane Lattice of (001) Domain

1. Out-of-Plane Lattice of (100) Domain Elongate Followed by Elongation of (001) Out-of Lattice.

+

Electric Filed

Electric Filed

1. Lattice Distortion: Experimental Results

△ 0V● 10V

57.6 58.0

Int.

(arb

. uni

ts)

2 (deg)60.5 60.6 60.7 60.8 60.9 61.0 61.1

Int.

(arb

. uni

ts)

2 (deg)

△ 0V● 10V

(100) Domain：Positive Transverse Piezoelectric Constant(100) Domain：Negative Transverse Piezoelectric Constant

+d-d

Out of Plane Lattice(001) Domain：Elongation(100) Domain：Shrinkage

400004

(001) Domain (100) Domain

2. Elastic Deformation Under E2-1. Domain Wall Motion

(400)(004)(001) Domain：Intensity Increased(100) Domain：Intensity Decreased

(001) Domain(100) Domain

(100) Domain (001) Domain

Domain Switching by Electric Filed

V001: Volume Fraction of (001) OrientationFrom 40% to 60%.

□ 0V● 10V

57.6 58.0

Int.

(arb

. uni

ts)

2 (deg)60.5 60.6 60.7 60.8 60.9 61.0 61.1

Int.

(arb

. uni

ts)

2 (deg)

△ 0V● 10V

(001) Domain(100) Domain

Electric Filed

Electric Filed

Time Response

Obvious Delay is Not Detected for Electric Charge, Lattice Elongation, Tilting Angle and Elastic Deformation

Thin Films Change Very First by Electric Filed

Volu

me

Frac

tion

Charge

Strain

Tilting Angle

Volume Fraction

SummaryChange of Crystal Structure Under Applied Electric Filed was Investigated In-situ for (100)/(001)-Oriented Tetragonal Pb(Zr, Ti)O3Films

Crystal Structure Change Under Electric Filed is Successfully Observed.

+d-d

1. Lattice Deformation(001) Domain：Out of Plane lattice Elongation(100) Domain：Out of Plane lattice Shrinkage

2. Elastic Deformation• Domain Switching from (100) to (001) Domain: Increase of V00• Increase and Decrease of Tilting Angle of (001) and (100) Domains :

Increase and Decrease of and Angles, Respectively.

EE

目次

１．背景

強誘電体とは

次世代先端デバイス

２．HfO2極薄膜の測定

３．圧電MEMS応用に向けた測定

４．今後の展望