強誘電体材料のメモリ応用 (1) 強誘電体とその性質強誘電体とその性質自発分極 (Ps) から各種機能が発現焦電性 ( 熱電気 ) 赤外線センサ圧電性 ( ひずみ電気 ) 圧力センサ圧電アクチュエータ超音波送受話器振動子フィルタ素子 MEMS 素子... その他多数他多数の応用強誘電

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きみかずいりぐら
5 years ago
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1 (1) 強誘電体とその性質強誘電体とその性質自発分極 (Ps) から各種機能が発現焦電性 ( 熱電気 ) 赤外線センサ圧電性 ( ひずみ電気 ) 圧力センサ圧電アクチュエータ超音波送受話器振動子フィルタ素子 MEMS 素子... その他多数他多数の応用強誘電性 ( 分極電気 ) 1 強誘電メモリ素子自発分極の反転 ( 履歴特性 ) をメモリに応用応用には高品質で微細化が必要... メモリ研究以前は強誘電性はほとんど応用されなかった ( 後述 ) Pb 2+ O2- P 0 Ti 4+ 強誘電体ペロブスカイト結晶の構造 (PZT 系 PbTiO3) 1) V Ps 1) K. Momma and F. Izumi, Commission on Crystallogr. Comput., IUCr Newslett., No. 7 (2006)

2 (2) 現行のメモリ素子現行のメモリ素子ハードディスクドライブ (HDD) 磁気記録大容量データ保管用 DRAM 半導体メモリ誘電体で記録揮発性要リフレッシュ高速で読み書きメインメモリ FRASH メモリ半導体メモリフローティングゲートで記録メモリカード HDD 1) 1) 東芝レビュー (2005) Vol60 p.2-6 2) TDK フラッシュメモリ 2)

3 (3) 各種記録素子との比較各種メモリとの比較 2008/4/1 調べ FeRAM SRAM DRAM EEPROM FLASH HDD *1 不揮発性セル構成 2T/2C, 1T/1C 6T 1T/1C 2T 1T - 記録密度 1.5T/inch2 * Gb/inch2 容量 2Mb 32Mb 2Gb 1Mb 16Gb 500GB 読み出し時間 180ns 3-70ns 100ns *4 50ns 10ns *2,3 書き込み時間 180ns 3-70ns 50ns 5ms 10000ns 10ns *2,3 重ね書き可書換え耐性 10^12 10^6 10^6 *5 消費電力 mW 300mW 300mW 5mW 30mW 1W 待機電力 3-30μW 30μW 5mW 5μW 25μW 0.1W 書換時電流 75μA 40mA 80mA 5mA 35mA - 可能な限り製品の値を掲載した *1: 2.5 インチ HDD, *2: シークタイム回転速度など考慮していない *3: 転送速度 800Mb/s ヘッド数 6 から計算, *4: クロック 10MHz から *5: シークヘッドロードなど考慮していない, *6: 実験室値

4 (4) 半導体メモリ記憶容量 DRAM 記憶容量は低い ( 右図 ) FRASH 記憶容量は限界に近づきつつある (45nm 以降 ) 三次元構造 ITRS2007 では 2013 年から 3D, 2 層 2) MEMS, プローブアレイによるメモリが開発中 3) (>1Tbit/inch 2 ) HDD と DRAM の記録密度の比較 1) 1) PIONEER R&D V.12 p61 2) ITRS )Nanochip Inc.

5 (5) 半導体メモリ記憶容量三次元構造 1) MEMS, プローブアレイによるメモリが開発中 2) (>1Tbit/inch 2 ) 三次元構造によるメモリ 2) プローブアレイによるメモリ 2) 1)Toshiba Co. 2)Nanochip Inc.

(6) 強誘電体メモリ強誘電体メモリ 1 実現のためには薄膜化が必要集積化半導体との一体化分極反転電圧 e.x 印加電界 100kV/cm とすると 0.1mm 厚 : 1000V ( 高すぎる ) 0.2μm 厚 : 2V 経緯 1960 年代強誘電体メモリ応用 (FeRAM) のアイデア 1) 1972 年理論解析によると 0.

6 (6) 強誘電体メモリ強誘電体メモリ 1 実現のためには薄膜化が必要集積化半導体との一体化分極反転電圧 e.x 印加電界 100kV/cm とすると 0.1mm 厚 : 1000V ( 高すぎる ) 0.2μm 厚 : 2V 経緯 1960 年代強誘電体メモリ応用 (FeRAM) のアイデア 1) 1972 年理論解析によると 0.4μm 程度で限界 2) 以降若干の薄膜化研究の報告 0.4μm 以下でも OK 1988 年以降製品化 (512bit) 3) や高品質膜実現でメモリ応用研究が活発化 4) 現在 (2008) 2Mbit 容量の製品 ( 富士通 ) が量産今後の高密度化が期待 1) T. L. Moll et al: IEEE Trans. Electron Devices ED-10 (1963) p.338 2) I. P. Batra et al, Sol. St. Commun. 11 (1972) p ) J. Evans et al, IEEE J. Solid State Circuits 23 (1988) p ) T. Shiosaki et al, Proc. 7th ISAF (1990) p.669 5) Fujitsu P 0 V 16KB MaskROM(072A) 32KB MaskROM(076) 8bit CPU DES Co-processor 256B B SRAM 2Mb FRAM 5)

7 (7) HDD HDD ( 磁気記録 ) 磁性体に磁気で記録する高密度化が急速に進んできた ( ヘッド ) MR, GMR ヘッド ( 磁性体 ) 垂直磁気記録 ~100 Gbit/inch 2 最近は年率 30% の伸び 1Tbit/inch 2 30%/ 年プラッタ ( 磁性体 ) アクチュエータ HDD の構造 1) モータヘッド 60%/ 年 100%/ 年 HDD の記録密度の推移 2) 1) I O DATA より 2) 東芝レビュー (2005) Vol60 p.2-6

熱アシスト磁気記録 ) レーザ加熱 + 硬磁性体で高密度化限界が50Tbit/inch 2 に 4) 現状 1Tbit/inch 2 以上は困難

8 (8) HDD HDD 記録密度向上垂直磁気記録逆方向の磁化を隣り合わせにして減磁界を抑制して高密度化しかし高密度化にも障壁がある遷移領域 : 対策パターンドメディア ~1Tbit/inch 2 垂直磁気記録 1) 磁区境界のブロッホ壁 2) 熱ゆらぎ ( 超常磁性限界 ): 対策 HAMR( 熱アシスト磁気記録 ) レーザ加熱 + 硬磁性体で高密度化限界が50Tbit/inch 2 に 4) 現状 1Tbit/inch 2 以上は困難パターンドメディア 3) HAMR 技術 4) 1) AV Watch, Impress 2) PIONEER R&D V.13 p46 3) fujitsu 4) Seagate

5Tbit/inch 2 : LiTaO3 単結晶磁性体のブロッホ壁 1) LT に高密度に書き込まれた分極 1) (a)0.

9 (9) 強誘電体記録メディア強誘電体記録メディア磁性体の場合は 1Tbit/inch 2 以上は困難強誘電体では高密度記録が可能 [ 報告 ] SNDM でパターン描画 1) 1Tbit/inch 2 : PZT 膜表面研磨 1.5Tbit/inch 2 : LiTaO3 単結晶磁性体のブロッホ壁 1) LT に高密度に書き込まれた分極 1) (a)0.64tbit/inch 2, (b)1.5tbit/inch 2 1 格子に書き込めれば 1Pbit/inch 2 強誘電体メディア 1) 1) PIONEER R&D V.13 p45-51 高密度に書き込めるが密度限界は不明微細均質な材料が必要

10 (10) 強誘電体記録メディア強誘電体記録メディア読み書きはプローブで行う実用には多プローブ化が必要走査非線形誘電率顕微鏡 Probe scanner concept 2) (SNDM) 1) SDカードに多プローブ圧電スキャナを内蔵磁気記録磁気記録低電力小型メモリ 1) SII, 2) Seagate 2006 年

11 (11) 強誘電体記録の限界記録密度の限界微小ドメインの形成と観測 FeRAM, 記録メディアの容量 up どこまで微細化できるのか? ドメイン物性としても応用的にも興味深い微小な強誘電体構造物 ( 結晶 ) を作製して記録特性 ( 分極反転 ) の観測 PbTiO3 極薄膜 : 4 nm 1) BaTiO3 粒 : 20nm 以下で消失 2) PbTiO3 粒 : 幅 27nm x 厚 1.2nmまで確認 3) 今後の進展進展が期待期待理論的な解析現象論量子論での解析など膜厚: 400 nm 程度 4) 膜厚: 3ユニットセル (~1.2nm) 5) PbTiO3 ナノドット 6) 1) T. Tybell et al, APL 75 (1999) p.856 2) M. Tanaka et al, Ferroelec. Lett. 24 (1998) p.13 3) M. Okaniwa, JJAP 44 (2005) p ) I. P. Batra et al, Sol. St. Commun. 11 (1972) p ) Ph. Ghosez et al, APL 76 (2000) p ) H. Nonomura et al, JJAP 42 (2003) p. 5918

12 (12) 自己組織化ナノ結晶記録密度の限界調べるためには高品質均質なナノ結晶が必要また均質なナノ結晶群が得られれば記録メディアやステップフロー成長基板など応用も可能 crystalline nucleus Atomically flat substrate Nano crystals 原子平坦基板を用いたステップフロー成長 K. Wasa et al., Proceedings of the SPIE - The International Society for Optical Engineering., v 3481, 1998, p Atomically flat substrate Atomically flat substrate Thin film

13 (13) 自己組織化ナノ結晶記録密度の限界ナノ結晶 : スパッタ成膜法で表面マイグレーションを利用して結晶核 ( ナノサイズ結晶 ) 形成 Re-evaporation Sputter Migration Concentration 1000nm 均質化 : 原子平坦化した基板で自己組織的に成長位置制御 ( 平面像 ) 100nm 平坦化処理 ( 平面像 ) 100nm 原子レベルで制御されたステップ / テラスの構造ステップ高 :2.2A

14 (14) 自己組織化ナノ結晶記録密度の限界 Atomic step 200nm 500nm 今後の課題ステップ上に核成長均質に核成長導電性基板 or 自己配向導電膜の形成評価均質性の向上他薄膜材料サファイア (001) 以外の基板などいろいろ

15 (15) 強誘電体記録のその他の問題他の問題強誘電体膜の問題 ( 特性劣化 ) 分極反転疲労 (Fatigue) 分極反転を繰り返すと強誘電性が低下リーク電流もれ電流データ保持特性に悪影響絶縁破壊もインプリント電界により特性が経時変化でシフトするデバイスが設計できなくなるなど膜内部の結晶欠陥 ( 結晶粒界界面 ) のしわざ!! 結晶粒界結晶粒 500n m PZT 膜の粒構造

16 (16) 強誘電体結晶欠陥の評価解析結晶欠陥解析特性劣化解消のためには膜内部の結晶欠陥について解明する必要がある精確な評価解析法を開発する必要 TSC DLTS/ICTS 光照射熱刺激電流 (Thermally Stimulated Current: TSC) 有機膜で用いられている ( 絶縁性材料可 ) 試料加熱時に放出される電荷を測定 ( 簡単な測定系 ) 深準位過渡応答分光法 (Deep Level Transient Spectroscopy) 半導体で用いられている電圧パルス印加時の静電容量の過渡応答を測定界面, 粒界 ( 空乏層 ) の観測光パルス印加時の過渡応答を測定キャリア寿命の観測

17 (17) 強誘電体薄膜の結晶欠陥 TSC peak (a.u.) TSC 解析 Peak I Peak II Peak III Temperature ( ) Peak II Peak I Peak III ピークと欠陥分布の対応 3) 機構 Pb 過剰酸素過剰 Pb 欠乏酸素欠乏 peak II は PbO 欠乏のときのみ発生下部電極 PbOx 欠陥 ( 欠陥クラスタ ) V pb +2h V O +2e (0.8~1.0eV) 上部電極 PbOx 欠陥 PbO PZT 分極反転疲労劣化 TSC peak III 250 :0.95eV TSC peak II 200 :0.75eV 焼成時 PbO 成分が上部に移動余剰分は排出欠乏のみ問題劣化は下部界面が主準位は組成歪で変化 TSC では結晶欠陥の存在の確認と特性劣化との関連 ( モデル ) を提案できた [ 課題 ] 欠陥の種類場所 : 手探り欠陥の密度 : 再結合の影響

18 TSC の改良電極界面測定 DLTS 電圧パルスバリア形成キャリア寿命測定光励起光パルスノイズ分離熱パルス欠陥準位 ( トラップ ) 強誘電体薄膜トラップ測定 TSC 電界ノイズ電流電極初期実験 : 光照射電圧印加によって欠陥からの信号を捉えることに成功今後体系的な測定 C (pf) C (pf) (18) 強誘電体薄膜の結晶欠陥 Light ON 100s Light OFF Time (s) 0V V Time (sec)

2 磁性薄膜を用いたデバイスを動作させるには ( 磁気記録装置 (HDD) を例に ) コイルに電流を流すことで発生する磁界を用いて薄膜の磁化方向を制御している

1 磁化方向の電圧制御とそのメモリセンサ光デバイスへの応用秋田大学大学院工学資源学研究科附属理工学研究センター准教授吉村哲 2 磁性薄膜を用いたデバイスを動作させるには ( 磁気記録装置 (HDD) を例に ) コイルに電流を流すことで発生する磁界を用いて薄膜の磁化方向を制御している 3 従来技術とその問題点エネルギーロスの大きい電流磁界により磁化反転を行っており消費電力が高い発生可能な磁界に限界があり(