【公開日：2023.08.01】【最終更新日：2023.07.28】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
22OS0022
利用課題名 / Title
高融点金属薄膜の結晶組織観察
利用した実施機関 / Support Institute
大阪大学
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
外部利用/External Use
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）計測・分析/Advanced Characterization（副 / Sub）-
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）マルチマテリアル化技術・次世代高分子マテリアル/Multi-material technologies / Next-generation high-molecular materials（副 / Sub）量子・電子制御により革新的な機能を発現するマテリアル/Materials using quantum and electronic control to perform innovative functions
キーワード / Keywords
膜加工・エッチング/Film processing and Etching,赤外・可視・紫外分光/Infrared and UV and visible light spectroscopy,スパッタリング/Sputtering,EB,異種材料接着・接合技術,3D積層技術,電子顕微鏡/Electron microscopy
利用者と利用形態 / User and Support Type
利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)
新宮原 正三
所属名 / Affiliation
関西大学
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
清水智弘,白岩直哉,黄川洋
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
市川聡
利用形態 / Support Type
（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
OS-003：200kV原子分解能走査透過分析電子顕微鏡
OS-007：材料系電子顕微鏡用試料作製装置群
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
直径10nm以下のLSI微細金属配線や膜厚10nm以下の金属酸化膜を使用した抵抗変化メモリ素子などの微細結晶構造を明らかにし、結晶構造と電気伝導特性との相関の調査を目的とする。本実験ではSiO2基板上に形成したTiN/HfOx／Au／HfOx積層薄膜構造膜の膜質、結晶構造を透過電子顕微鏡明視野像、EDS、HAADF像観察、XRD、伝導特性測定などで評価した。
実験 / Experimental
反応性スパッタ法及びDCスパッタ法を用いて図1の断面構造のReRAM素子構造を作製した。スイッチング層はHf酸化物層(3.5nm)であり、その内部にAu超薄膜（0.75nm）を配置した構造となっている。実質的には、HfOx膜中へのAuドーピングを行っている。このような素子構造にて、抵抗変化メモリ特性のみならず、電圧パルス印加でのコンダクタンス変化挙動を調べ、疑似ニューロンでのシナプス応答素子としての特性向上を最終目的としている。透過電子顕微鏡観察用試料作製は大阪大学超高圧電子顕微鏡センターで、試料観察は主に関西大学で行った。 図２. (a) HAADF像、 (b) EDS像。 超音波カッターで直径3mmφに加工した厚さ650μmの試料片を、厚さ100μm以下になるまで平行研磨する。研磨した試料をエポキシ系接着剤でTEM用メッシュに固定し、ディンプルグラインダを使って試料裏側からさらに研磨する。ディンプル研磨は試料中心付近が透けて見える、または小さな穴が空いた時点で停止する。最後にPIPSを使ってイオンビームの入射角4度、加速電圧4.5kVで加工した。
結果と考察 / Results and Discussion
図２(a)に本積層薄膜断面のHAADF像を、(b)にEDS元素マッピング像を示す。EDS像(b)では、上下のTiN電極中のTi（青色）がはっきりと見えており、赤色のHF／HfOx層がその内部に位置している。Au（緑色）はHf層の下部に存在していることが分かり、 概ね図1の断面構造が実現していることが分かる。HAADF像（a）では、白く丸まった直径2-3nmの粒子状の物体が認められる。質量の重い元素ほど白く映るので、このナノ粒子はAuから構成されていると推測される。HAADFはEDSよりも分解能が高いので、より微細な構造がかんさつできたのだろう。薄膜スパッタ条件では金は厚み0.75nmの連続膜になるはずだったが、これは数原子層分の厚みでしかない。粒子状に丸まった構造の方が、界面エネルギー小さくなるので、このような構造を取ったと考えられる。AuはHfOx中にも原子拡散している可能性もあり、一部のAuは上部のTiN電極とHf膜との界面にも拡散して薄い層を形成しているようである。このようなAuのナノ粒子形成と拡散が、本素子のシナプス動作特性に影響を与えている可能性があり、さらに検討を続けている。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
Fig.1
Fig.2
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
2023年3月 IEEE EDTMにてポスター発表
成果発表・成果利用 / Publication and Patents
論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
- C.Y. Huang, M. Tanaka, T. Shimizu, T. Ito and S. Shingubara, Relaxation behavior under different DC voltage pulse off time in TiN/Hf/HfO2/Au/ HfO2/ TiN -device, IEEE EDTM 2023
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件