| 研究課題/領域番号 |
20H02189
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分21050:電気電子材料工学関連
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| 研究機関 | 国立研究開発法人物質・材料研究機構 |
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研究代表者 |
生田目 俊秀 国立研究開発法人物質・材料研究機構, ナノアーキテクトニクス材料研究センター, 特命研究員 (10551343)
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| 研究分担者 |
池田 直樹 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 技術開発・共用部門, 主任エンジニア (10415771)
大井 暁彦 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 技術開発・共用部門, 主任エンジニア (20370364)
塚越 一仁 国立研究開発法人物質・材料研究機構, ナノアーキテクトニクス材料研究センター, グループリーダー (50322665)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
17,550千円 (直接経費: 13,500千円、間接経費: 4,050千円)
2023年度: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円)
2022年度: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円)
2021年度: 3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円)
2020年度: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)
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| キーワード | 原子層堆積法 / ナノラミネート複合機能膜 / 酸素欠損 / 巨大誘電率 / キャパシタ / ナノラミネート構造 / 複合酸化物 / 積層膜 / 電気特性 / 誘電率 / ZrO2 / Al2O3 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
金属酸化物を絶縁膜として用いたコンデンサー、DRAMメモリ及びパワーデバイス等の電子デバイスでは、低消費電力を達成するために低電圧駆動、低リーク電流及び高容量が望まれている。
これらのスペックを満足させるために、材料物性から限界のある単一の金属酸化物に代わり、原子層堆積法を用いて、酸化アルミニウムナノ層と異種金属酸化物ナノ層をプログラムして積層したナノラミネート（＝超格子形状）超構造の複合機能性膜を創生して、この複合機能性膜が絶縁膜としての有望性について検討する事を研究の目的とした。
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| 研究実績の概要 |
2021年度までに、ZrO2/Al2O3またはAl2O3/ZrO2積層構造で、積層の違いが誘電率に影響する事を見出した。2022年度は、ZrO2の母材へのNbOxドーピングついて検討した。(ZrO2)1/(NbOx)1ナノラミネートで、300℃で、H2O酸化ガスの原子層堆積法(ALD)で作製した。As-grown膜はアモルファス構造であった。N2又はO2で、450℃の急速加熱処理でも、アモルファス構造を維持した。このナノラミネート膜を絶縁膜とした上下電極がTiNのMIMキャパシタを作製した。低温度、真空中、I-V測定を実施した。アモルファス構造のナノラミネート膜の誘電率は、リファレンスとして作製した結晶化したZrO2絶縁膜に比べて、約10小さな誘電率であり、ZrO2を母材とした場合には、結晶化が重要である事が分かった。
2021年度からの (HfO2)2/(Al2O3)1及び(HfO2)2/(SiO2)1のナノラミネートをGaNパワーデバイスの絶縁膜とした継続研究で、信頼性評価のために、正電圧下(PBS)でのC-V測定が可能な計測プログラムを組んだ。(HfO2)2/(Al2O3)1及び(HfO2)2/(SiO2)1ナノラミネート膜は、800℃熱処理で、各々、アモルファスなHfAlOx及びHfSiOx膜となった。フラットバンド電圧(Vfb)から実効電界を8.8MVcm-1、ストレス時間300sのPBSで、認められた正のVfbシフト値は0.24Vと非常に小さく、GaN/HfAlOx及びGaN/HfSiOx界面が電子トラップする欠陥が少ない事を明らかにできた。
もう一つのHfZrOx強誘電体膜では、ALDの酸化剤としてプラズマ酸素を用いる事で、300℃で優れた強誘電体特性を得る事ができた事を2021年度までに報告したが、その要因について、放射光を用いた界面解析を実施した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
これまで検討した候補材料のZrO2/Al2O3積層構造に変えて、(ZrO2)1/(NbOx)1ナノラミネート膜を基本構造とした絶縁膜の研究で、ALDによるas-grown膜及びその後の450℃熱処理でもアモルファス構造であり、誘電率も小さかった。ZrO2を母材とした絶縁膜では、結晶化していることが重要である指針を得た。
継続研究の(HfO2)2/(Al2O3)1及び(HfO2)2/(SiO2)1ナノラミネート膜を用いたGaNパワーデバイスのPBS特性及びHfZrOx強誘電体膜のTiN/HfZrOx界面の解析より、各々、その分野では注目される成果を挙げられた。
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| 今後の研究の推進方策 |
GaNパワーデバイス及び強誘電体トランジスタのナノラミネート膜の活用では、これまでに開発した絶縁膜が基本的に優れた特性を有する事を報告してきた。実際の利用には信頼性が重要であり、低温度から高温度でのストレスバイアス下での電気特性を評価して、材料の適性を議論する。
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