高密度プラズマ支援製膜によるナノ構造制御次世代酸化物半導体薄膜低温形成法の創成

• Project/Area Number: 23K21051
• Project/Area Number (Other): 21H01671 (2021-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2021-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 26050:Material processing and microstructure control-related
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 節原 裕一 大阪大学, 接合科学研究所, 教授 (80236108)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000); Fiscal Year 2024: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2023: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2022: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2021: ¥7,020,000 (Direct Cost: ¥5,400,000、Indirect Cost: ¥1,620,000)
• Keywords: 反応性プラズマ / 低温プロセス / 酸化物半導体

Outline of Research at the Start

本研究は、酸化物半導体薄膜トランジスタ形成を研究対象とし、独自の高密度プラズマ発生・制御技術に基づいて新たなプロセス制御技術を開拓して、従来のプロセスが抱える課題をブレークスルーすることにより、次世代フレキシブルデバイスの実現に向けた新たなプロセス技術の創成を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

酸化物半導体は、高速動作薄膜トランジスタへの応用をはじめ次世代の機能性材料として期待されているが、現状のデバイス製造においては高温のアニールプロセスが不可欠であることから、使用可能な基板材料に制約があり、次世代のフレキシブルデバイス創成に向けた技術展開には、有機材料をはじめとするフレキシブルな材料基板上に、高品質の薄膜トランジスタを低温で形成することが可能な新たなプロセス技術の開発が不可欠である。
このため、本研究では、酸化物半導体薄膜トランジスタ形成プロセスを研究対象とし、独自の高密度プラズマ発生・制御技術に基づく新たなプロセス制御技術の開拓と製膜過程の解明を通じて、従来のプロセスが抱える課題をブレークスルーし、低温製膜において高品質な次世代デバイスを形成可能なプロセス技術を創成することを目的としている。
上記の研究目的を達成するため、本年度は、研究課題『薄膜ナノ構造がデバイス特性に及ぼす影響の解明』に加えて、研究課題『高密度プラズマ支援製膜プロセス制御法の開発』に注力し、プロセスの低温化に資するプラズマ高度制御技術の創出に向けて、以下の研究を推進した。
スパッタ放電に高周波誘導結合型プラズマを重畳した高密度プラズマ支援スパッタ製膜プロセスによる酸化物半導体薄膜の形成プロセスにおいて、新たな制御性を付加したデバイス形成プロセス技術の創成を目指して、スパッタリングターゲットに印加する電圧波形制御に着目した研究を精力的に推進した。その結果、ターゲット電圧波形制御を加味した新たなプロセスを導入することにより、酸化物薄膜の膜密度をはじめとする特性制御に資することが示唆された。また、プロセスに介在する反応性解析に関する研究を実施した。さらに、新たなワイドギャップ酸化物半導体の導電性制御をはじめとするプロセス制御因子の解明に向けた研究を実施した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

「研究実績の概要」に記したように、ターゲット電圧波形制御に着目したプロセスを導入することにより、酸化物薄膜の膜密度をはじめとする特性制御に資することが示唆され、順調に進展していると考える。

Strategy for Future Research Activity

これまでに蓄積した知見を踏まえて、独自の高密度プラズマ発生・制御技術に基づく新たなプロセス制御技術に基づく研究活動を通じて、製膜中のプロセス制御がデバイス特性に及ぼす影響の解明を推進することにより、従来のプロセスが抱える課題をブレークスルーし、高品質な次世代デバイスを低温で形成することが可能な新たなプロセス技術の創成に向けて研究を推進していく予定である。

Research Products

• [Journal Article] Stability and gap states of amorphous In-Ga-Zn-Ox thin film transistors: Impact of sputtering configuration and post-annealing on device performance (2024)
  • Author(s): Takenaka Kosuke、Nunomura Shota、Hayashi Yuji、Komatsu Hibiki、Toko Susumu、Tampo Hitoshi、Setsuhara Yuichi
  • Journal Title: Thin Solid Films Volume: 790 Pages: 140203-140203
  • DOI: 10.1016/j.tsf.2024.140203
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Analysis of oxygen-based species introduced during plasma assisted reactive processing of a-IGZO films (2023)
  • Author(s): Takenaka Kosuke、Hirayama Hiroyuki、Endo Masashi、Toko Susumu、Uchida Giichiro、Ebe Akinori、Setsuhara Yuichi
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 62 Issue: SL Pages: SL1018-SL1018
  • DOI: 10.35848/1347-4065/acdb7e
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Analysis of residual oxygen during a-IGZO thin film formation by plasma-assisted reactive sputtering using a stable isotope (2023)
  • Author(s): Takenaka Kosuke、Endo Masashi、Hirayama Hiroyuki、Toko Susumu、Uchida Giichiro、Ebe Akinori、Setsuhara Yuichi
  • Journal Title: Vacuum Volume: 215 Pages: 112227-112227
  • DOI: 10.1016/j.vacuum.2023.112227
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Plasma processing technique by combination of plasma-assisted reactive sputtering and plasma annealing for uniform electrical characteristics of InGaZnO thin film transistors formed on large-area substrates (2023)
  • Author(s): Takenaka Kosuke、Yoshitani Tomoki、Endo Masashi、Hirayama Hiroyuki、Toko Susumu、Uchida Giichiro、Ebe Akinori、Setsuhara Yuichi
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 62 Issue: SI Pages: SI1005-SI1005
  • DOI: 10.35848/1347-4065/acbd56
  • Peer Reviewed
• [Presentation] プラズマ支援反応性パルスDCスパッタリングを用いたa-IGZO薄膜の特性制御 (2024)
  • Author(s): 竹中 弘祐, 上田 拓海, 都甲 将, 江部 明憲, 節原 裕一
  • Organizer: 2024年第71回応用物理学会春季学術講演会,東京都市大学世田谷キャンパス＆オンライン,(2024.03.22-2024.03.25)
• [Presentation] Reactivity-Control Plasma Processes for Low-Temperature Formation of High-Quality Oxide Thin-Film Transistors (2023)
  • Author(s): Yuichi Setsuhara, Kosuke Takenaka, Akinori Ebe
  • Organizer: International Conference on PROCESSING & MANUFACTURING OF ADVANCED MATERIALS, (THERMEC‘2023),VIENNA, AUSTRIA,(2023.07.03-2023.07.07)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Formation of Ga-based amorphous oxide thin film transistors using plasma-assisted reactive processes (2023)
  • Author(s): Kosuke Takenaka, Hibiki Komatsu, Susumu Toko, Akinori Ebe, Yuichi Setsuhara
  • Organizer: 25th International Symposium on Plasma Chemistry（ISPC25）,Miyako Messe、Kyoto, Japan,(2023.05.21-2023.05.26)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Fabrication of amorphous gallium oxide thin film transistors by plasma-assisted reactive processes (2023)
  • Author(s): K. Takenaka, T. Komatsu, S. Toko, Y. Setsuhara
  • Organizer: The 44th International Symposium on Dry Process (DPS2023),Winc Aichi, Nagoya, Japan,(2023.11.21-2023.11.22)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] プラズマ支援反応性スパッタリングによるアモルファス酸化ガリウム薄膜形成 (2023)
  • Author(s): 竹中 弘祐、小松 響、藤村 知輝、都甲 将、井手 啓介、江部 明憲、神谷 利夫、節原 裕一
  • Organizer: 2023年第70回応用物理学会春季学術講演会,上智大学四谷キャンパス＋オンライン,(2023.03.15-2023.03.18)
• [Presentation] Development of Plasma Assisted Reactive Process for Uniform Formation of High Mobility Oxide Semiconductor Thin Film Transistors over Large Areas (2023)
  • Author(s): Kosuke Takenaka, Tomoki Yoshitani, Susumu Toko, Giichiro Uchida, Akinori Ebe, Yuichi Setsuhara
  • Organizer: 7th International Conference on Advances in Functional Materials (AFM2022),Centennial Hall of Kyushu University. Kyushu, Japan,(2023.01.09-2023.01.12)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Reactive Plasma Processes for Low-Temperature Formation of High-Mobility IGZO Thin-Film Transistors (2022)
  • Author(s): Yuichi Setsuhara, Kosuke Takenaka, Hiroyuki Hirayama, Giichiro Uchida, Akinori Ebe
  • Organizer: Annual Meeting, Center For Plasma and Thin Film Technologies (CPTFT), Ming Chi University of Technology, online,(2022.06.17)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Low-temperature formation of functional oxide materials with plasma-assisted reactive processes (2022)
  • Author(s): K. Takenaka, S. Toko, Y. Setsuhara
  • Organizer: 第32回日本MRS年次大会 (MRS-J2021), 産業貿易センター（横浜, (2022.12.05)
  • Invited
• [Presentation] Development of Plasma-Assisted Reactive Process for Large-Area Uniform Formation of High Mobility IGZO Thin-Film Transistors (2022)
  • Author(s): K. Takenaka, T. Yoshitani, G. Uchida, A. Ebe, Y. Setsuhara
  • Organizer: The 43rd International Symposium on Dry Process (DPS2022),Osaka International Convention Center, (Osaka, Japan) & Online,(2022.11.24-2022.11.25)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of Plasma Processing Technology for Low-temperature Formation of High Quality Functional Thin Films (2022)
  • Author(s): Yuichi Setsuhara, Kosuke Takenaka, Susumu Toko, Keisuke Ide, Toshio Kamiya
  • Organizer: The 2nd International Symposium on Design & Engineering by Joint Inverse Innovation for Materials Architecture (DEJI2MA-2) ,Senri Life Science Center, Osaka, Japan,(2022.10.25-2022.10.26)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Low-Temperature Formation of High-Mobility IGZO Thin Films Transistors Fabricated with Plasma-Assisted Reactive Processes (2022)
  • Author(s): Yuichi Setsuhara, Hibiki Komatsu, Susumu Toko, Kosuke Takenaka, Akinori Ebe
  • Organizer: 11th International Conference on Reactive Plasmas (ICRP-11)/2022 Gaseous Electronics Conference (GEC 2022),Sendai International Center, Sendai, Japan ,(2022.10.03-2022.10.07)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 反応性プラズマプロセスを用いた高性能IGZO薄膜トランジスタの低温形成 (2022)
  • Author(s): 竹中 弘祐、林 祐仁、都甲 将、江部 明憲、節原 裕一
  • Organizer: 2022年第83回応用物理学会秋季学術講演会,東北大学川内キャンパス＆ハイブリッド開催,(2022.09.20-2022.09.23)
• [Presentation] 高移動度IGZO薄膜トランジスタの大面積均一形成に向けたプラズマ支援反応性プロセスの開発 (2022)
  • Author(s): 竹中 弘祐、吉谷 友希、都甲 将、内田 儀一郎、江部 明憲、節原 裕一
  • Organizer: 2022年第69回応用物理学会春季学術講演会,ハイブリッド開催(青山学院大学相模原キャンパス＋オンライン),(2022.03.22-2022.03.26)
• [Presentation] 反応性プラズマプロセスによる酸化物半導体薄膜形成 (2022)
  • Author(s): 竹中 弘祐、都甲 将、節原 裕一
  • Organizer: 2021 (令和3)年度第3回溶接協会表面改質技術研究委員会,Web会議,(2022.02.21)
  • Invited
• [Presentation] プラズマ支援反応プロセスで作成されたIGZO薄膜トランジスタの特性評価 (2022)
  • Author(s): 林 祐仁、小松 響、都甲 将、竹中 弘祐、江部 明憲、節原 裕一
  • Organizer: The 39th Symposium on Plasma Processing/The 34th Symposium on Plasma Science for Materials (SPP-39/SPSM34),Web会議,(2022.01.24-2022.01.26)
• [Presentation] Plasma-assisted reactive processes for low-temperature formation of functional materials (2021)
  • Author(s): Kosuke Takenaka, Yuji Hayashi, Hibiki Komatsu, Susumu Toko, Giichiro Uchida, Akinori Ebe, Yuichi Setsuhara
  • Organizer: 5th Asia Pacific Conference on Plasma Physics (AAPPS-DPP2021), Remote e-conference,(2021.09.26-2021.10.01)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Effect of process conditions on characteristics of InGaZnO thin-film transistors fabricated with plasma-assisted reactive process (2021)
  • Author(s): K. Takenaka, H. Hirayama, Y. Hayashi, H. Komatsu, G. Uchida, A. Ebe, Y. Setsuhara
  • Organizer: The 42nd International Symposium on Dry Process (DPS2021),Web会議,(2021.11.18-2021.11.19)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 反応性プラズマプロセスを用いた高移動度IGZO薄膜トランジスタの低温形成(IV) (2021)
  • Author(s): 竹中 弘祐、平山 裕之、藤村 知輝、林 祐仁、内田 儀一郎、江部 明憲、節原 裕一
  • Organizer: 2021年第82回応用物理学会秋季学術講演会,Web会議,(2021.09.10-2021.09.13)
• [Presentation] Plasma-Enhanced Reactive Processes for Low-Temperature Fabrication of High-Mobility Oxide Thin Film Transistors (2021)
  • Author(s): Kosuke Takenaka, Yuji Hayashi, Hibiki Komatsu, Susumu Toko, Giichiro Uchida, Akinori Ebe, Yuichi Setsuhara
  • Organizer: INTERFINISH2020 20th World Congress, Web会議,(2021.09.06-2021.09.08)
  • Int'l Joint Research