電極に埋もれた強誘電体の絶縁破壊過程を観測：
レーザー励起光電子顕微鏡

現 東京大学大学院新領域創成科学研究科及び連携研究機構マテリアルイノベーション研究センター（元 物性研究所 極限コヒーレント光科学研究センター） 藤原 弘和
現 株式会社日立ハイテク（元 物性研究所 極限コヒーレント光科学研究センター） Cédric Bareille
東京大学 生産技術研究所 糸矢 祐喜
東京大学 d.lab 小林 正治
東京大学大学院新領域創成科学研究科及び連携研究機構マテリアルイノベーション研究センター
谷内 敏之[研究背景]

もれた絶縁層の化学的な変化を非破壊で観察できます[8]。

HfO2 は不純物添加や薄膜化、応力等により、準安定相である直方晶が安定化し、強誘電性を発現します[1]。

[研究成果]

HfO2 系強誘電体は、10 nm 以下でも低いリーク電流を維

我々は、laser-PEEM にその場電気計測システムを実持 し 、か つ 強誘 電 相が 安定で あ り、 大 きな 抗 電界 (~1

装し、動作中のデバイス観察(オペランド観察)を可能にしMV/cm)を持つことが報告されています[1]。また、原子層ました。観察試料として、強誘電層 Hf0.5Zr0.5O2 (HZO)を、堆積法により成膜可能で、3 次元的なデバイス構造にも膜TiN 電極によってクロスバー配置でサンドイッチした強誘を埋め込めます[2]。こうした特徴から、FeRAM が抱える電体キャパシタを用いました(図 1a)。

スケーリングの課題[3]を解決可能な材料として期待され

図 1b にリーク電流のストレス印加回数依存性を示しまます。HfO2 系強誘電体の実用上の課題は、絶縁破壊電界す。10 6 サイクル付近からリーク電流が増加し始め、(~5 MV/cm[4])が抗電界に近く、106-1012 回の書込み/読出4×106 サイクルで極大値を取ることが観測されました。こし動作によって絶縁破壊を起こすことです[1]。これはこでは、これを SDB(Soft Dielectric Breakdown)と呼びDRAM に要求される耐久性(1015 回)より低く、改善が必ます。さらにストレスを印加すると 7.4×106 サイクルで電要とされています。絶縁破壊過程が解明されれば、耐久性流値が大きく発散しました。ここでは、これを HDB(Hard向上に関する知見を得ることができると思われます。

Dielectric Breakdown)と呼びます。106 サイクルオーダー

レーザー励起光電子顕微鏡(laser-PEEM)は、レーザーでの SDB および HDB の発生は、HfO2 系強誘電体キャパを物質に照射し、光電効果によって真空中に放出した光電シタでは典型的な振る舞いであり、我々の電気計測システ子を、電子光学系によって検出器上に拡大投影することでムにより設計通りにストレスを印加できたことを示してい顕微像を得る手法です[5]。従来、励起光にはパルスレーます。

ザーが使用されてきましたが、短時間に大量の光電子が放出されることに起因した光電子間のクーロン反発による分解能劣化(スペースチャージ効果)が顕著でした[6]。我々のグループは、パルスレーザーを連続波レーザーに置き換えることでスペースチャージ効果を抑制し、十分な光電子信号量を維持しながら 3 nm 以下の空間分解能を達成しました[6]。これにより、先端半導体デバイスのパターン観察が可能となり、エレクトロニクスへの応用可能性が開けました。さらに、我々が用いる波長 266 nm のレーザーは光子エネルギー4.66 eV に対応します。10 eV 以下の光電子は固体中で非弾性平均自由行程が 1 nm–100 nm 以上になると予想されます[7]。この特徴を活かせば、電極に埋■■■■ ■■■図 1: (a) 観察した強誘電体キャパシタ構造。(b) その場電気計測
0システムで測定した V = 2.4 V でのリーク電流。(c) 1×10 サイク666ル、(d) 1×10 サイクル、(e) 4×10 サイクル、(f) 7.4×10 サイクル
後に取得した PEEM 像。

物性研だより第 64 巻第 1 号4図 1c、1d に示すように、1×100 サイクルから 1×106 サ

HDB 後には、ジュール熱による誘電体膜のアモルファイクルでは、キャパシタが形成された像中央の正方形の領ス化が起こる[9]など、絶縁破壊のトリガーとなった欠陥域では顕著な変化がないことがわかります。しかし、生成に関する情報が失われる可能性があります。本研究結

4×106 サイクル後では、正方形の左上において、光電子強果でも HDB 後には大きく電子状態が変化していることか度が増加した領域が観測されました。この変化は、その場ら、絶縁破壊のトリガーを解明するには、SDB などのリーク電流測定で観測された SDB の発生と同時に観測さHDB の直前の変化を観察することが重要であることが示れたことから、SDB 時のリーク電流を担う領域(SDB 領されました。それと同時に、laser-PEEM による絶縁破域)を可視化したこと示唆しています。7.4×106 サイクル

壊過程観察は HDB から遡って電子状態の変化を議論でき後には、SDB 領域内において、光電子強度が減少したスる強力な実験手法であることが示されました。

ポットが観測されました。こちらも、HDB の発生と同時

最 後 に 、 HDB 後 の PEEM 像 を 走 査 型 電 子 顕 微 鏡に観測されたことから、電流の伝導パスを可視化したもの(SEM)像と比較します。SEM は半導体デバイスの形状検と考えられます。

査に広く用いられる非破壊検査ツールです。図 3 に示すよ

それぞれの領域の電子状態を解明するために、PEEM

うに、laser-PEEM では明瞭に可視化された HDB スポッを用いた顕微光電子分光を行いました(図 2)。Area 1 が光トは、SEM では可視化できていないことがわかります。

電子強度の変化が比較的小さかった領域、Area 2 が SDB

このことから、SEM では可視化できない電極に埋もれた領域、Area 3 は HDB スポットに対応します。Area 1 内絶縁膜の伝導パスを、laser-PEEM では明瞭に可視化での位置(Pos.1)で解析したエネルギー分布曲線(EDC)に比きる強力なツールであることが実証されました。

べ、Area 2 内の位置(Pos.2)で解析した EDC は同じ形状で、強度が全体的に大きくなっていることがわかります。
今回の顕微分光では、TiN 電極からの信号と HZO からの信号の足し合わせを観測しています。これらを分離するために、リーク電流の増加に対する電極の電子状態の変化の寄与は無視できると仮定し、Pos.1 の EDC と Pos.2 のEDC の差分を計算しました。その差分 EDC を図 2b の青塗りのスペクトルとして示しています。この差分 EDC から、SDB を担う電子状態は裾構造をしていることがわかります。さらに、同様の解析を Pos.3 に対しても行うと、

図 3: (a) HDB 後に取得した PEEM 像。(b) 図(a)と同じ試料に対して取得した SEM 像。

図 2b の赤塗りのスペクトルに示すように、–0.1 eV にピーク構造を持つことがわかります。これは、HDB 後の伝[まとめ]導パスを担う電子状態は、裾構造しか持たない SDB 後の本研究では、laser-PEEM を用いて TiN/HZO/TiN 構造リーク電流を担う電子状態とは異なることを示しています。の強誘電体キャパシタの絶縁破壊過程を観察しました。
HDB 後の伝導パスを電極越しに可視化できただけでなく、HDB の前駆現象である SDB 領域も可視化することに成功しました。顕微分光から、SDB 領域と HDB スポットの電子状態が異なることを解明しました。SDB 領域と HDB ス
ポットは SEM では可視化できず、laser-PEEM が埋もれた絶縁膜の化学状態の変化を可視化するのに優れた実験手法であることを実証しました。

図 2: (a) 顕微光電子分光を行った領域の PEEM 像。(b) 図(a)中の Pos.1、Pos.2、Pos.3 で抽出した光電子エネルギー分布曲線(EDC)。青塗り、赤塗りの EDC はそれぞれ Pos.2 の EDC からPos.1 の EDC を、Pos.3 の EDC から Pos.1 の EDC を差し引いた差分 EDC である。

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物性研だより第 64 巻第 1 号[謝辞]
本研究成果は、東京大学総長室特別教授室の辛埴特別教授(元物性研究所附属極限コヒーレント光科学研究センター教授、2022 年 6 月に逝去)との共同研究によるものです。
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本研究は、JSPS 科学研究費助成事業(研究代表者：藤原弘和、課題番号：23K13363；研究代表者：小林正治、課題番号：21H04549)、一般財団法人材料科学技術振興財団研究助成、精密測定技術振興財団研究助成の支援により実施されました。

[参考文献][1] M. H. Park et al., MRS Commun. 8, 795 (2018).
[2] P. Polakowski et al., 2014 IEEE IMW, Taipei, Taiwan,
pp. 1-4 (2014).
[3] H. Kohlstedt et al., Microelectron. Eng. 80, 296 (2005).
[4] J. Müller et al., ECS J. Solid State Sci. Technol. 4,N30 (2015).
[5] R. M. Tromp et al., Ultramicroscopy 110, 852 (2010).
[6] T. Taniuchi et al., Rev. Sci. Instrum. 86, 023701(2015).
[7] M. P. Seah et al., Surf. Interface Anal. 1, 2 (1979).
[8] Y. Okuda et al., Jpn. J. Appl. Phys. 59, SGGB02(2020).
[9] K. Shubhakar et al., Microelectron. Reliab. 55, 1450
(2015).

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物性研だより第 64 巻第 1 号

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