【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.04.21】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

24AT0070

利用課題名 / Title

ミニマル反応性スパッタ装置による強誘電性HfN_x膜の製作

利用した実施機関 / Support Institute

産業技術総合研究所 / AIST

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）計測・分析/Advanced Characterization

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）高度なデバイス機能の発現を可能とするマテリアル/Materials allowing high-level device functions to be performed（副 / Sub）-

キーワード / Keywords

minimalfab, reactive sputter, ferroelectrics, HfNx,X線回折/ X-ray diffraction,エレクトロデバイス/ Electronic device,スパッタリング/ Sputtering

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)

野田 周一

所属名 / Affiliation

産業技術総合研究所

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes

郭 哲維

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

AT-070：X線回折装置(XRD)

報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

クリーンルームを不要とする局所クリーン化機構を持ち、1チップから製造可能な究極の少量多品種デバイス生産に対応するミニマルファブ[1]の装置群の中で、今までに反応性スパッタ装置を用いて、TiN（TiNメタルゲートSOI CMOS）[2]、AlN（SAWフィルタ向け圧電材料）[3]などの機能性膜を開発してきた。今回は、1Tr型のFe-RAM応用を念頭に、強誘電性HfN_x膜の反応性スパッタによる形成を試みた。岩塩構造を持つHfNはHf空孔（V_Hf）を持つδ-HfN_x (111)面の回折角度が立方晶のδ-HfN (111)面のそれよりも低角度側にピークが現れることが知られているが、2θ=33.5°のとき菱面体晶構造が形成されて強誘電性を示すとされている[4]。 我々は、新規に開発した、超高真空動作（≦5×10^-6 Pa）、高温スパッタ（室温～600℃）が可能なミニマル反応性スパッタ装置を用いて、スパッタ諸条件とHfN_x膜の諸特性、結晶構造を評価した。結晶構造の評価は、産業技術総合研究所ナノプロセシング施設のX線回折装置（AT－070）を利用した。その結果、スパッタ放電ガス（Ar+N₂）中のN₂添加率により、HfN_x膜の比抵抗、結晶構造が制御でき、メタルフェーズ（α-Hf） ～ ストイキオメトリ構造のδ-HfN ～ V_Hfを持つδ-HfN_xまでの結晶構造が得られることが分かった。また、異方性を持つ歪が生じている結果も得られており、強誘電性のHfN_x膜が得られる可能性が示された。

実験 / Experimental

ミニマル反応性スパッタ装置では、様々な放電方式を用いることが可能であるが、今回は、DCマグネトロンスパッタを用いて成膜を行った。成膜条件として、Ar+N₂流量は14 sccm 一定、圧力は1 Pa一定、放電パワーは50 W 一定、ステージ温度は室温および400℃とした。基板はハーフインチSi (100)ウエハを熱酸化（膜厚70nm）したものを用い、GI(Grazing incident)-XRD と対称θ/2θ XRD の両方で結晶組成を調べた。また、HfNx膜の比抵抗は、4 探針測定機を用いて評価した。

結果と考察 / Results and Discussion

図1は、室温で形成したHfNx 膜のXRD スペクトルを示す。(a)GI-XRD ではランダムな方向を向いた結晶の回折面を、(b)symmetric θ/2θ-XRD では結晶のウエハ表面に平行な回折面を示している。(a)GI-XRD では、N₂ 流量0.1 sccm のときα-Hf 構造に近い結晶組成になっているが、0.6 sccm のときにはストイキオメトリーに近いδ-HfN_x に遷移していると思われる。ストイキオメトリーなHfNはメタルフェーズのHfよりも比抵抗が低く、一連のHfN_x組成の中で極小値を示すことが知られており、比抵抗測定結果からもこれが確認された。さらにN₂ 流量を増やすとδ-HfNx (111)面の回折角のみが低角側にシフトしていき(200)面はあまり変化しないことが分かった。これは結晶構造に歪が生じていることを示しており高誘電性の発現が期待される。(b)θ/2θ-XRD では、(a)と同様の傾向を示すが、基板面の影響を受けて少し異なった結果となりそれぞれの回折ピークはさらに低角度側にシフトし、強誘電性が発現するとされる2θ=33.5°前後の回折角度が得られることも確認された。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

Fig.1 XRD spectra of HfNx films at various N₂ flow.

その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

[1] 原 史朗、クンプアン ソマワン, 応用物理, 83, 380 (2014).
[2] 野田、他、第66回応用物理学会春季学術講演会, 9a-M114-3 (2019).
[3] 永野、他、電気学会論文誌E, 142, pp.248-253 (2022).
[4] S. Ohmi et al., J. Electron Devices. Soc., 9, 1036 (2021).

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.

1. 野田周一, 薮田勇気, 山本直子, 亀井龍一郎, 原 史朗, 応用物理学会学術講演会（新潟）, 令和6年9月16日

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