強誘電体ゲート絶縁膜を用いた低消費電力で高移動度な超高性能薄膜トランジスタの研究
| Project/Area Number |
18J14689
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| Research Category |
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 国内 |
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| Research Field |
Electronic materials/Electric materials
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| Research Institution | National Institute for Materials Science (2019)
Meiji University (2018) |
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| Research Fellow |
栗島 一徳 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点 ナノ電子デバイス材料グループ, 特別研究員(PD)
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| Project Period (FY) |
2018-04-25 – 2020-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2019)
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| Budget Amount *help |
¥1,500,000 (Direct Cost: ¥1,500,000)
Fiscal Year 2019: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000)
Fiscal Year 2018: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
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| Keywords | 薄膜トランジスタ / 強誘電体 / ゲート絶縁膜 / 高移動度 / 低消費電力 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
低電圧領域で高移動度を有する薄膜トランジスタ(TFT)の実現を目指した。目標値は低電圧で電子移動度30 cm2/Vs以上及びS値60 mV/dec以下とした。チャネル材料にはIn-Si-O-Cを用いて、ゲート絶縁膜には強誘電体のHf-Zr-O(HZO)だけでなく、SiO2、High-k(HK)材料のAl2O3及びTa-Nb-O(TNO)を用いた。TFTの形状はバックゲート型とした。Id-Vg特性の結果から、それぞれのTFTにおいて電子移動度は20 cm2/Vs以上を記録するものの、30 cm2/Vsには及ばなかった。しかし、閾値電圧はSiO2を用いたTFTと比較して、その他のTFTは低電圧側にシフトした。S値に関しては、SiO2で0.70 V/dec であり、Al2O3で0.42 V/dec, HZOで0.49 V/dec及びTNOで0.44 V/decとそれぞれSiO2よりも改善の傾向にあった。これは、それぞれの材料がSiO2よりも大きな電荷を誘起可能であるからである。この結果より、デバイスサイズを再検討して、HZOをゲート絶縁膜としたTFTの更なる性能向上を目指す。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
HfxZr1-xO (HZO)/In1-xSixO1-yCy TFTを作製に先立って、HZO膜を含む、高誘電率kなHigh-k(HK)ゲート絶縁膜を用いたHK/In1-xSixO1-yCy TFTを作製した。
全てのHK膜はSiO2単膜と比較して、閾値電圧(Vth)が低電圧側へシフトし、サブスレッショルドスイング(SS)が向上した。申請書に記載された低電圧で電子移動度30 cm2/Vs以上及びS値60 mV/dec以下には及ばないものの、電子移動度は約20 cm2/VsでSSは最大で60 %改善した。これは、SiO2と比較して誘起可能な電荷量が大きいためと考えられる。また、膜中及びチャネル/ゲート絶縁膜界面の固定電荷が改善されたことより、良質なゲート絶縁膜及び界面が形成できた。HZO膜だけでなく、HKゲート絶縁膜の特性を得ることができ、今後の材料探索を行う上でも重要な知見になると考えられる。
この結果を基に、HZO/In1-xSixO1-yCy TFT作製にフィードバックさせてチャネル及びゲート絶縁膜の最適化を行うことで、高性能なHZO/In1-xSixO1-yCy TFTを作製して実用化検討に向けて本研究を推進していく。
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| Strategy for Future Research Activity |
高性能HZO/In1-xSixO1-yCy TFTを用いて、低電圧領域における8K×4Kディスプレイへの応用を評価する。達成目標は電子移動度30 cm2/Vs以上とする。また、論理演算回路を作製して、高速動作及び書き換え回数の評価を行う。書き換え回数の達成目標は1015回とする。さらに、不揮発性メモリ素子の開発を行い、長期記憶保持期間の評価を行う。記憶保持期間の達成目標は10年以上とする。
以上より高移動度高機能HZO/In1-xSixO1-yCy TFTの実現をし、実用可能な安価で同一パネル上への高機能高集積回路のTFTとしての妥当性を議論する。これらの結果から低電圧駆動高移動度高機能TFT設計の確立を行う。これが実現すると、透明でスパッタリングを用いて安価、容易に作製できることから、現在問題を抱える消費電力、製造コスト及び難しさが一挙に解決する。そして、酸化物スマートデバイスを用いて到来するIoT時代とその後の将来の先駆けとなる酸化物スマート情報端末社会の実現を目指す。
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Report
(1 results)
Research Products
(10 results)
