| 研究課題/領域番号 |
16K06257
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| 研究機関 | 北陸先端科学技術大学院大学 |
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研究代表者 |
堀田 將 北陸先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (60199552)
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| 研究分担者 |
能木 雅也 大阪大学, 産業科学研究所, 教授 (80379031)
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| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| キーワード | セルロースナノペーパー / 結晶化シリコン / 薄膜トランジスタ / 低温作製 / イットリア安定化ジルコニア |
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| 研究実績の概要 |
１．CNP膜上への多結晶YSZ薄膜の堆積
CNP膜上への結晶化Si膜の形成は、CNPの熱劣化がない200℃以下の低温で行う必要がある。そのために、Si結晶化を低温で促進する結晶化誘発層である多結晶YSZ膜のCNP膜上への堆積を検討した。YSZ膜の堆積には、反応性マグネトロンスパッタ法を採用し、ターゲットにZr+Y金属円盤を、スパッタガスにArガスに酸化用の酸素ガスを混入したものを用いた。また、堆積時のCNP膜へのプラズマや熱的損傷を低減するために、緩衝層として、CNP膜上に有機絶縁物Zeocoat膜と酸化Si (SiO2)膜を塗布したものを形成した。堆積時のCNP劣化を抑えるには、スパッタ投入電力を単に低くすればよいが、それではYSZ膜の結晶化率が低くなる。逆に高すぎると、高結晶化膜が得られるもののCNPが劣化する。検討の結果、投入電力100W、堆積圧力を6mTorr程度に低くし、酸素ガス流量をAr流量が5.8sccmに対して約0.42sccmに低減することで、CNPの損傷が殆ど無く厚さ70nmで結晶化YSZ膜が堆積できた。
２．ゲート絶縁膜としての酸化Si膜の形成
ゲート絶縁膜もCNPの熱的損傷が無いように、200℃以下の低温形成する必要がある。本研究室では以前から、SiO2 膜の堆積をシリコーンオイルとオゾンガスを用いたCVD法により検討してきた。200℃以下堆積の問題点は、堆積速度が5nm/min以下と遅く、膜中に絶縁性を阻害する水分が多く含まれることである。そこで、堆積時にトリクロロエチレンを約0.2 mol/m3添加することで、堆積速度を従来の倍の10nm/minに、また水分含有量を約半分に大きく低減し、改善した。これはトリクロロエチレンの構成成分の1つである塩素が、膜形成時の脱水結合反応OH+OH-Si →H2O+Si-Oを促進するためと考えている。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
研究分担者である阪大の能木が、ガラス基板上に厚さ約2.6μmのCNP膜を形成し、堀田がそれを受けて、熱緩衝層の形成、YSZ膜堆積の検討を行った。YSZ膜堆積時のプラズマ、熱ダメージ低減用の緩衝層については、厚さ1.5μmの有機絶縁物Zeocoat層上に厚さ130又は420nmの酸化Si(SiO2)塗布膜を形成した構造が適切と判断された。また、この緩衝層を用いた反応性マグネトロンスパッタ法によるYSZ膜の堆積については、CNP膜がプラズマや熱的劣化が無く、かつ結晶化したYSZ膜が得られる堆積条件として、投入電力100W、堆積時間10分を得た。また、他に堀田は、ゲート絶縁膜であるSiO2 膜の低温堆積を検討し、堆積膜の原料ガスであるシリコーンオイルとオゾンガスに、熱分解堆積を促進する触媒的な作用があるトリクロロエチレンを微量に混入させることで、200℃の低温で、従来の用いないものに比べて堆積速度の倍増と電気的絶縁性を阻害するOH基混入量の半減を実現した。これらにより現時点で、トランジスタ作製に必要となる全基盤プロセスの約2/3の見通しがついた。しかし、当初の計画では、3年ある研究期間の2年以内で、YSZ膜上にレーザーアニールにより結晶化Si膜の作製まで行う予定であったが、そこまでには至っていない。ただ、次年度に計画にしていたSiO2膜堆積の検討を前倒しでできたため、大幅の遅れにはならず、今後の取り組み次第で十分に計画の遅れを取り戻せるものと考えている。
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| 今後の研究の推進方策 |
まずは、前年度行う予定であった結晶誘発YSZ層上に非晶質Si(a-Si)膜を堆積し、波長532nmのYAGレーザーを用いてそのSi膜の固相結晶化の最適条件を求める。以前の研究から、CNP膜を用いないガラス基板に対するアニール最適条件が分かっているので、それを基に、レーザーエネルギーやアニール回数などの諸条件の最適化を行う。具体的には、10mm角四方のガラス基板上に結晶化したSi膜の粒径が、100nm程度以上で均一になり、かつCNP膜に熱的損傷がない条件を見出す。次に、作製した結晶化Si膜上にシリコーンオイルとオゾン膜によるSiO2ゲート酸化膜の堆積を行う。
最後に、過去に行ったガラス基板上でのTFT作製の経験を基に、CNP膜上のTFT作製をフォトリソグラフィ技術を用いて行う。TFT作製自体は比較的問題が少なくできると考えているが、デバイス特性を改善するために最後に行うアニール処理条件の検討には、時間がかかると予想している。これは、CNPの熱劣化を抑えるためには、アニール温度の上限が約150℃で、処理時間も1時間以内が目安となるが、その様な少ない熱処理量でデバイス特性の十分な改善ができないと予想されるからである。これについては、アニールガスを特殊なもので行う等を考えている。具体的なデバイス特性改善の目安として、電界効果移動度が10cm2/Vs以上、閾値電圧2V以下、スレショールドスロープが0.5 V/dec以下になることを目指す。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
（理由）予定していた実験補助者が都合悪くなり、これに関する予算執行が出来なかった。代わりに、旅費やその他（ポンプの修理、資料収集）などにその予算の振替を行ったが、十分に消化できなかったことが大きな要因である。また、物品の予算に関しては、出来るだけ節約して無駄を省いたため、十分な執行が行われなかったことも一因となっている。
（使用計画）余剰金は約5万円程度であり、次年度は、確かな実験補助者の予定もあることから、最終年度では適切な予算執行ができるものと考えている。
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