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高性能三次元素子を目指したALD法による金属酸化物半導体の薄膜形成技術の研究

研究課題

研究課題/領域番号 23K23226
補助金の研究課題番号 22H01958 (2022-2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2022-2023)
応募区分一般
審査区分 小区分29020:薄膜および表面界面物性関連
研究機関奈良先端科学技術大学院大学

研究代表者

浦岡 行治  奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (20314536)

研究分担者 上沼 睦典  国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (20549092)
Bermundo J.P.S  奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 助教 (60782521)
來福 至  青山学院大学, 理工学部, 助教 (60936871)
研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円)
2024年度: 5,330千円 (直接経費: 4,100千円、間接経費: 1,230千円)
2023年度: 5,330千円 (直接経費: 4,100千円、間接経費: 1,230千円)
2022年度: 6,760千円 (直接経費: 5,200千円、間接経費: 1,560千円)
キーワード半導体 / 機能性薄膜 / 金属酸化物 / トランジスタ / 集積回路 / 金属酸化物薄膜トランジスタ / 原子層堆積法 / 三次元デバイス / スパッタ法 / 高集積化 / 3次元素子 / 信頼性 / メモリ / 三次元構造 / 高集積回路 / 酸化物半導体 / 薄膜トランジスタ / 三次元高集積回路
研究開始時の研究の概要

申請者が永年培ってきた金属酸化物薄膜のプロセス・デバイス技術をベースに、原子層堆積(ALD)技術による新たに薄膜形成技術を確立し、これをチャネル材料とした縦型トランジスタと不揮発性メモリを試作、動作実証することで、その可能性を明らかにする。特に、ALD法による金属酸化物薄膜とゲート絶縁膜としての誘電体薄膜の界面の電子物性を詳しく調査し界面モデルを立案することで、本プロセスの優位性を学術的に明らかにする。

研究実績の概要

三次元集積デバイス応用を見据えたALD法による多結晶IGOチャネルの設計指針を確立する為にInOx/GaOxナノラミネート構造に着目し、その結晶化挙動の理解を目指した。ALD成膜におけるsuper-cycle法では成膜原理に基づき膜厚方向にInとGaの濃度分布が生じる為、本研究では比較用として膜厚方向に濃度分布が生じないスパッタ法でもIGO膜を成膜し、成膜手法間におけるGa濃度に対する結晶化温度と格子定数の依存性を議論した。
(1)ALD法により成膜したIGO膜のIn:Ga組成比や熱処理温度依存性ついて議論した。本研究ではXPSとRBS法を用いてALD-IGO膜の組成比を算出した結果、GaOxのsub-cycle比の上昇に伴い膜中のGa濃度が増加することを確認した。また、GIXRDの測定結果より、非晶質InOx/GaOxナノラミネート構造が熱処理によって多結晶IGOに成長することを確認した。本研究ではALD-IGO膜の結晶化挙動を理解する為に、膜中にInとGaが均一に分散するスパッタ膜を比較対象として選択し、結晶化温度やGa濃度に対する格子定数依存性を評価した。
(2)InOx:GaOx =15:1の条件で成膜したIGO膜を用いてFETを作製し、BEOL工程と親和性を有するプロセス温度で50 cm2/Vs以上の高い移動度が得られることを確認した。一方でS.S.値は500 mV/dec. 程度であり、更なる低減が望まれる。また、Idの立ち上がりが-3V付近であることからキャリア密度の低減が必要である。しかし、更なるGa添加による酸素欠損の抑制を目的としてGaOxのsub-cycle比を増加させるとIGO膜の結晶化温度は500 ℃以上になりBEOL工程とのプロセス温度親和性が失われる。

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

構成グループの連携がよく、情報の共有がうまくいったおかげで、有望な結果が得られ、学会や論文投稿が順調である。また、分析手法など多くの協力が得られ、これも結果の獲得に功を奏している。

今後の研究の推進方策

ALD法による三元系多結晶OSの成膜において、用いる前駆体や成膜条件が添加元素の置換効率や膜の結晶化温度へ及ぼす影響を明らかにする。さらに、本研究で得られた知見を活用し三元系多結晶OS材料の添加元素がキャリア密度や移動度に与える影響を解明する。また、FETのチャネル幅 (W) 、チャネル長 (L) がnm台の素子や三次元構造を有するFETに三元系多結晶OS材料を適用し、前駆体、成膜条件と膜の結晶性や電気的特性との関係性を明らかにする。本研究で得られる知見によってナノラミネート構造における結晶化挙動の理解が促進され、三元系多結晶OS材料を用いた集積デバイスの発展へ寄与することが期待される。

報告書

(2件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 研究成果

    (36件)

すべて 2024 2023 2022

すべて 雑誌論文 (15件) (うち国際共著 7件、 査読あり 15件、 オープンアクセス 5件) 学会発表 (21件) (うち国際学会 20件、 招待講演 5件)

  • [雑誌論文] Dual Role of AgNO3 as an Oxidizer and Chloride Remover toward Enhanced Combustion Synthesis of Low-Voltage and Low-Temperature Amorphous Rare Metal-Free Oxide Thin-Film Transistors2024

    • 著者名/発表者名
      Quino Candell Grace P.、Bermundo Juan Paolo、Kawanishi Hidenori、Uraoka Yukiharu
    • 雑誌名

      ACS Applied Electronic Materials

      巻: 6 号: 1 ページ: 505-513

    • DOI

      10.1021/acsaelm.3c01479

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Optimizing a-IGZO Source-Gated Transistor Current by Structure Alteration via TCAD Simulation and Experiment2024

    • 著者名/発表者名
      Sihapitak Pongsakorn、Bermundo Juan Paolo、Bestelink Eva、Sporea Radu A.、Uraoka Yukiharu
    • 雑誌名

      IEEE Transactions on Electron Devices

      巻: 71 号: 4 ページ: 2431-2437

    • DOI

      10.1109/ted.2024.3360019

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] A Nanosheet Oxide Semiconductor FET Using ALD InGaOx Channel for 3-D Integrated Devices2024

    • 著者名/発表者名
      Hikake Kaito、Li Zhuo、Hao Junxiang、Pandy Chitra、Saraya Takuya、Hiramoto Toshiro、Takahashi Takanori、Uenuma Mutsunori、Uraoka Yukiharu、Kobayashi Masaharu
    • 雑誌名

      IEEE Transactions on Electron Devices

      巻: 71 号: 4 ページ: 2373-2379

    • DOI

      10.1109/ted.2024.3370534

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Atomic Imaging of Interface Defects in an Insulating Film on Diamond2023

    • 著者名/発表者名
      Fujii Mami N.、Tanaka Masaki、Tsuno Takumi、Hashimoto Yusuke、Tomita Hiroto、Takeuchi Soichiro、Koga Shunjo、Sun Zexu、Enriquez John Isaac、Morikawa Yoshitada、Mizuno Jun、Uenuma Mutsunori、Uraoka Yukiharu、Matsushita Tomohiro
    • 雑誌名

      Nano Letters

      巻: 23 号: 4 ページ: 1189-1194

    • DOI

      10.1021/acs.nanolett.2c04176

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Degradation Due to Photo-Induced Electron in Top-Gate In-Ga-Zn-O Thin Film Transistors With n- Region Under Negative Bias Stress and Light Irradiation2023

    • 著者名/発表者名
      Takeda Yujiro、Takahashi Takanori、Miyanaga Ryoko、Bermundo Juan Paolo S.、Uraoka Yukiharu
    • 雑誌名

      IEEE Electron Device Letters

      巻: 44 号: 5 ページ: 765-768

    • DOI

      10.1109/led.2023.3258960

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] In-situ X-ray diffraction analysis of SiGe liquid phase growth on Si using AlGe paste2023

    • 著者名/発表者名
      Shota Suzuki, Moeko Matsubara, Hideaki Minamiyama, Marwan Dhamrin, Yasufumi Fujiwara, Yukiharu Uraoka
    • 雑誌名

      Materials Chemistry and Physics

      巻: 301 ページ: 127639-127639

    • DOI

      10.1016/j.matchemphys.2023.127639

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書 2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Effect of annealing ambient on SiGe layer formation using AlGe paste for solar cell application2023

    • 著者名/発表者名
      Shota Suzuki, Moeko Matsubara, Hideaki Minamiyama, Marwan Dhamrin and Yukiharu Uraoka
    • 雑誌名

      Jpn. J. Appl. Phys.

      巻: 62 SK1041 号: SK ページ: 1041-1041

    • DOI

      10.35848/1347-4065/acd19c

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Dissociation-energy calculations of C-multivacancies in diamond: the density-functional-theory study2023

    • 著者名/発表者名
      Purnawati Diki、Fajariah Nurul、Prayogi Harmon、Bermundo Juan Paolo、Nugraheni Ari Dwi
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 62 号: 5 ページ: 051002-051002

    • DOI

      10.35848/1347-4065/accda7

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Interface State Density Prediction between an Insulator and a Semiconductor by Gaussian Process Regression Models for a Modified Process2023

    • 著者名/発表者名
      Matsunaga Kanta、Harada Takuto、Harada Shintaro、Sato Akinori、Terai Shota、Uenuma Mutsunori、Miyao Tomoyuki、Uraoka Yukiharu
    • 雑誌名

      ACS Omega

      巻: 8 号: 30 ページ: 27458-27466

    • DOI

      10.1021/acsomega.3c02980

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Performance and reliability improvement of all-solution processed indium zinc oxide thin-film transistor by UV irradiation treatment2023

    • 著者名/発表者名
      Hanifah Umu、Bermundo Juan Paolo S、Uenuma Mutsunori、Uraoka Yukiharu
    • 雑誌名

      Journal of Physics D: Applied Physics

      巻: 56 号: 40 ページ: 405114-405114

    • DOI

      10.1088/1361-6463/acdefb

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] High-k Solution-Processed Barium Titanate/Polysiloxane Nanocomposite for Low-Temperature Ferroelectric Thin-Film Transistors2023

    • 著者名/発表者名
      Safaruddin Aimi Syairah、Bermundo Juan Paolo S.、Wu Chuanjun、Uenuma Mutsunori、Yamamoto Atsuko、Kimura Mutsumi、Uraoka Yukiharu
    • 雑誌名

      ACS Omega

      巻: 8 号: 33 ページ: 29939-29948

    • DOI

      10.1021/acsomega.2c08142

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Performance and Stability Enhancement of Fully Solution-Processed a-InZnO Thin-Film Transistors via Argon Plasma Treatment2023

    • 著者名/発表者名
      Hanifah Umu、Bermundo Juan Paolo S.、Kawanishi Hidenori、Vasquez Magdaleno R.、Ilasin Mark D.、Uraoka Yukiharu
    • 雑誌名

      ACS Applied Electronic Materials

      巻: 5 号: 11 ページ: 5872-5884

    • DOI

      10.1021/acsaelm.3c00841

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Novel two-dimensional square-structured diatomic group-IV materials: the first-principles prediction2023

    • 著者名/発表者名
      Sholihun Sholihun、Purnawati Diki、Bermundo Juan Paolo、Prayogi Harmon、Fatomi Zohan Syah、Hidayati Sri
    • 雑誌名

      Physica Scripta

      巻: 98 号: 11 ページ: 115903-115903

    • DOI

      10.1088/1402-4896/acfa3f

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Insulator-to-semiconductor conversion of solution-processed ultra-wide bandgap amorphous gallium oxide via hydrogen annealing2022

    • 著者名/発表者名
      Diki Purnawati, Juan Paolo Bermundo, and Yukiharu Uraoka
    • 雑誌名

      Applied Physics Express

      巻: 15 号: 2 ページ: 024003-024003

    • DOI

      10.35848/1882-0786/ac466a

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] High Mobility silicon indium oxide thin-film transitors fabricated by sputtering process2022

    • 著者名/発表者名
      S. Arulkumar, S. Parthiban, J.Y.Kwon, Y.Uraoka, J.P.S. Bermundo, Arka Mukherjee, Bikas C. Das
    • 雑誌名

      Vacuum

      巻: 199 ページ: 110963-110963

    • DOI

      10.1016/j.vacuum.2022.110963

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] Narrow Band gap Bismuth Tri-iodide via Cesium Tin Iodide Doping for Lead-free Solar Cells Application2024

    • 著者名/発表者名
      Aditya Wahyu Anugrah, Itaru Raifuku, Hidenori Kawanishi, and Yukiharu Uraoka
    • 学会等名
      Asia-Pacific International Conference on Perovskite, Organic Photovoltaics and Optoelectronics
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Solid-state Laser Annealing (SLA) of Fully Solution-processed Amorphous InZnO Thin-film Transistors at Various Fluence2024

    • 著者名/発表者名
      Nu Myat Thazin, Juan Paolo S. Bermundo, Umu Hanifah, Johannes Richter, Sebastian Geburt, and Yukiharu Uraoka
    • 学会等名
      18th International Thin-Film Transistor Conference
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Ternary Amorphous Oxide Semiconductor Material toward 3D-Integrated Ferroelectric Devices2023

    • 著者名/発表者名
      Takanori Takahashi, Mutsunori Uenuma, Masaharu Kobayashi, and Yukiharu Uraoka
    • 学会等名
      2023 International Conference on Semiconductor Technology for Ultra Large Scale Integrated Circuits and Thin Film Transistors
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Solution processed ultrawide bandgap insulator to semiconductor conversionof amorphous gallium oxide via fermi level control2023

    • 著者名/発表者名
      Juan Paolo Bermundo, Paul Rossener Regonia, Diki Purnawati, Kazushi Ikeda, and Yukiharu Uraoka
    • 学会等名
      2023 International Conference on Semiconductor Technology for Ultra Large Scale Integrated Circuits and Thin Film Transistors
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Study of source-gated transistor (SGT) for output current enhancement through TCAD simulation2023

    • 著者名/発表者名
      Pongsakorn Sihapitak, Juan Paolo S. Bermundo, and Yukiharu Uraoka
    • 学会等名
      SID Display Week
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] A Nanosheet Oxide Semiconductor FET Using ALD InGaOx Channel and InSnOx Electrode with Normally-off Operation, High Mobility and Reliability for 3D Integrated Devices2023

    • 著者名/発表者名
      Kaito Hikake , Zhuo Li , Junxiang Hao , Chitra Pandy, Takuya Saraya, Toshiro Hiramoto, Takanori Takahashi, Mutsunori Uenuma, Yukiharu Uraoka, and Masaharu Kobayashi
    • 学会等名
      2023 Symposium on VLSI Technology and Circuits
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Novel Preparation and Characterization of Perovskite Films derived from RF-sputtering on Pyramidal Silicon Substrates2023

    • 著者名/発表者名
      Sittan Wongcharoen, Itaru Raifuku, Pere Roca i Cabarrocas, Yvan Bonnassieux, Yukiharu Uraoka
    • 学会等名
      The 3rd Annual Meeting of the Japan Photovoltaic Energy Society
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Optimized Combustion Process for Low-Voltage SixSnyO Thin-Film Transistors2023

    • 著者名/発表者名
      Quino Candell Grace Paredes, Bermundo Juan Paolo, and Uraoka Yukiharu
    • 学会等名
      23rd International Meeting on Information Display 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Material Design and Strategies for Thermally Stable Oxide Semiconductor toward Three Dimensional Integrated Device Application2023

    • 著者名/発表者名
      Takanori Takahashi and Yukiharu Uraoka
    • 学会等名
      The 23rd International Meeting on Information Display
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Post-Treatments as Electrode Functionalization of Fully-Solution Processed Amorphous InZnO (a-IZO) Thin-Film Transistors2023

    • 著者名/発表者名
      Umu Hanifah, Juan Paolo Bermundo, Nu Myat Thazin, Hidenori Kawanishi, Johannes Richter, Sebastian Geburt, and Yukiharu Uraoka
    • 学会等名
      The 23rd International Meeting on Information Display
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Effect of Bilayer High-k Al2O3 and HfO2 Gate Insulators on the Electrical Performance of Amorphous Oxide Thin-Film Transistors2023

    • 著者名/発表者名
      Dian Budiarti Kastian, Juan Paolo Bermundo, and Yukiharu Uraoka
    • 学会等名
      2023 International Conference on Solid State Devices and Materials
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Ferroelectric properties of 50 nm size BaTiO3 /polysiloxane nanocomposites processed by low temperature solution method2023

    • 著者名/発表者名
      ChuanJun Wu and Juan Paolo Bermundo, Aimi Syairah Safaruddin, Atsuko Yamamoto, Yukiharu Uraoka
    • 学会等名
      2023 International Conference on Solid State Devices and Materials
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Photoelectron hologram of Mg implanted GaN surface2023

    • 著者名/発表者名
      Hazuki Natsui, Mutsunori Uenuma, Hiroto Tomita, Yusuke Hashimoto, Tomohiro Matsushita, and, Yukiharu Uraoka
    • 学会等名
      International conference on complex orders in condensed matter
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] TiO2/SnO2 Electron Transport Bilayer for Large-Area Low-Temperature Fabrication of Perovskite Solar Cell2023

    • 著者名/発表者名
      Yu XIANHUAN, Itaru Raifuku, James Solano, and Yukiharu Uraoka
    • 学会等名
      the 34rd International Photovoltaic Science and Engineering Conference
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Solution processed functional oxide semiconductors and hybrid materials for flexible electronics2023

    • 著者名/発表者名
      Juan Paolo Bermundo
    • 学会等名
      Mini workshop on Functional Materials Science 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Atomic layer deposition and plasma technology for high performance amorphous oxide semiconductor thin-film transistors2023

    • 著者名/発表者名
      Juan Paolo Bermundo and Yukiharu Uraoka
    • 学会等名
      International Symposium of the Vacuum Society of the Philippines 2024
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Hysteresis-free Perovskite Solar Cells under LED Illumination2023

    • 著者名/発表者名
      Yoji Torii, Itaru Raifuku, and Yukiharu Uraoka
    • 学会等名
      Asia-Pacific International Conference on Perovskite
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] High Performance Solution Processed Oxide Semiconductors and Hybrid Materials for Flexible Electronics2022

    • 著者名/発表者名
      Juan Paolo Bermundo and Yukiharu Uraoka
    • 学会等名
      The 29th International Display Workshops
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Thermally Stable Ternary Amorphous Oxide Semiconductors for HfO2-based Ferroelectric Field-Effect Transistor Memories2022

    • 著者名/発表者名
      Takanori Takahashi, Mutsunori Uenuma, Masaharu Kobayashi, and Yukiharu Uraoka
    • 学会等名
      The 29th International Display Workshops
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Effect of Schottky Barrier at Fe2VWAl/Si Interface on Thermoelectric Properties2022

    • 著者名/発表者名
      6.Toshimitsu Maeda, Mutsunori Uenuma, Koki Enomoto, and Yukiharu Uraoka
    • 学会等名
      The 2022 International Meeting for Future of Electron Devices
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] High Performance Fully Solution Processed Transistors Towards Flexible Sustainable Electronics2022

    • 著者名/発表者名
      13.Juan Paolo Bermundo, Dianne Corsino, Umu Hanifah, and Yukiharu Uraoka
    • 学会等名
      The 242nd ECS Meeting
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演

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公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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