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2023 年度 実績報告書

酸化物半導体と強誘電体HfO2の融合による三次元集積デバイスとその応用技術の創出

研究課題

研究課題/領域番号 21H04549
研究機関東京大学

研究代表者

小林 正治  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (40740147)

研究期間 (年度) 2021-04-05 – 2024-03-31
キーワード酸化物半導体 / 強誘電体 / メモリ / トランジスタ
研究実績の概要

本研究は,低温で形成でき高い機能性を有する酸化物半導体と強誘電体HfO2の融合を基軸として,酸化物半導体トランジスタで強誘電体HfO2メモリ要素を駆動する三次元集積化可能な大容量メモリデバイスと,それを応用した三次元積層型インメモリコンピューティングの実現に向けて学理追求と基盤技術構築を目的としたものである。
2023年度は三次元モノリシック集積化技術で重要となる酸化物半導体の微細化に向けて、10nm以下のナノシート酸化物半導体の原子層堆積法による成膜技術を確立した。そして、集積化技術で必須となる高温安定性を有するInGaOxに着目し、ナノシートInGaOxトランジスタの電気特性を膜厚・組成比を系統的にふることで解析した。その結果、5nm程度まで移動度、サブスレショルド特性、信頼性で良好な特性が維持できることがわかり、トランジスタの微細化可能性を明らかにした。一方、5nm未満の膜厚では特性が劣化することがわかり、その原因追及を今後進めていくことになる。またナノシートInGaOxの性能向上に向けてダブルゲート型トランジスタ構造を提案、実際に施策と評価を行い、予想通り、単一のデバイスで2倍以上の駆動電流が得られるとともに、想定外の信頼性向上を実現することができた。以上の結果は、集積半導体技術の最高権威の国際会議の一つであるVLSI Symposium 2023で発表を行い大きな注目を受けた。この発表に関連して筆頭著者の学生は応用物理学会とIEEEよりBest student awardを受賞している。

現在までの達成度 (段落)

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

  • 研究成果

    (19件)

すべて 2024 2023 その他

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (14件) (うち国際学会 4件、 招待講演 8件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Oxide-semiconductor channel ferroelectric field-effect transistors for high-density memory applications: 3D NAND operation and the potential impact of in-plane polarization2024

    • 著者名/発表者名
      Hao Junxiang、Mei Xiaoran、Saraya Takuya、Hiramoto Toshiro、Kobayashi Masaharu
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 63 ページ: 014003~014003

    • DOI

      10.35848/1347-4065/ad11b8

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Dielectric breakdown behavior of ferroelectric HfO<sub>2</sub> capacitors by constant voltage stress studied by in situ laser-based photoemission electron microscopy2024

    • 著者名/発表者名
      Itoya Yuki、Fujiwara Hirokazu、Bareille C?dric、Shin Shik、Taniuchi Toshiyuki、Kobayashi Masaharu
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 63 ページ: 020903~020903

    • DOI

      10.35848/1347-4065/ad1e84

    • 査読あり
  • [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 ページ: 2373~2379

    • DOI

      10.1109/TED.2024.3370534

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Nondestructive imaging of breakdown process in ferroelectric capacitors using <i>in situ</i> laser-based photoemission electron microscopy2023

    • 著者名/発表者名
      Fujiwara Hirokazu、Itoya Yuki、Kobayashi Masaharu、Bareille C?dric、Shin Shik、Taniuchi Toshiyuki
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 123 ページ: 173501-1~6

    • DOI

      10.1063/5.0162484

    • 査読あり
  • [学会発表] Oxide Semiconductor Transistors for LSI Application2024

    • 著者名/発表者名
      Masaharu Kobayashi
    • 学会等名
      IEEE SISC
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 原子層堆積法によるナノシート酸化物半導体トランジスタ2024

    • 著者名/発表者名
      小林正治
    • 学会等名
      DIT29(電子デバイス界面テクノロジー研究会)
    • 招待講演
  • [学会発表] 3 次元集積デバイス応用に向けた原子層堆積法によるInGaOx チャネルナノシートトランジスタ2024

    • 著者名/発表者名
      日掛 凱斗,李 卓,&#37085; 俊翔,パンディ チトラ,更屋 拓哉,平本 俊郎,髙橋 崇典,上沼 睦典,浦岡 行治,小林 正治
    • 学会等名
      応用物理学会春季学術講演会
    • 招待講演
  • [学会発表] HfO2系強誘電体キャパシタの下部電極オゾン酸化による絶縁破壊寿命の向上2024

    • 著者名/発表者名
      糸矢 祐喜,更屋 拓哉,平本 俊郎,小林 正治
    • 学会等名
      応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] 上部電極越しに観察したHfO2 系強誘電体の分極コントラスト:レーザー励起光電子顕微鏡2024

    • 著者名/発表者名
      藤原弘和,糸矢祐喜,小林正治,C´edric Bareille,辛埴,谷内敏之
    • 学会等名
      応用物理学会春季学術講演会
  • [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
      VLSI Symposium 2023
    • 国際学会
  • [学会発表] オペランドレーザー励起光電子顕微鏡による強誘電体 キャパシタの非破壊イメージングの開拓2023

    • 著者名/発表者名
      藤原 弘和 ,糸矢 祐喜,小林 正治,Cedric Bareille,辛 埴,谷内敏之
    • 学会等名
      SDM研究会
    • 招待講演
  • [学会発表] 三次元集積デバイス応用に向けた原子層堆積法によるInGaOxチャネルナノシートトランジスタ2023

    • 著者名/発表者名
      日掛凱斗
    • 学会等名
      電気学会ナノエレクトロニクス機能化・応用技術調査専門委員会
    • 招待講演
  • [学会発表] 3D Integrated Device Applications of ALD-Grown Ferroelectric and Oxide-Semiconductor Materials2023

    • 著者名/発表者名
      Masaharu Kobayashi
    • 学会等名
      ALD 2023
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 原子層堆積法によるInGaOチャネルとInSnO電極によるナノシート酸化物半導体トランジスタ2023

    • 著者名/発表者名
      小林正治,日掛凱斗,李卓,ハオ ジュンシャン,パンディ チトラ,更屋拓哉,平本俊郎,高橋崇典,上沼睦典,浦岡行治
    • 学会等名
      SDM研究会
    • 招待講演
  • [学会発表] レーザー励起光電子顕微鏡を用いたHfO2系強誘電体の強誘電ドメイン及びその温度変化の観察2023

    • 著者名/発表者名
      糸矢 祐喜,藤原 弘和,Bareille Cedric,辛 埴,谷内 敏之,小林 正治
    • 学会等名
      応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] 3次元集積デバイス応用に向けた原子層堆積法によるInGaOxチャネルナノシートトランジスタ2023

    • 著者名/発表者名
      日掛 凱斗,李 卓,&#37085; 俊翔,パンディ チトラ,更屋 拓哉,平本 俊郎,髙橋 崇典,上沼 睦典,浦岡 行治,小林 正治
    • 学会等名
      応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] HfO2系強誘電体膜の絶縁破壊箇所の電子状態:レーザー励起光電子顕微鏡2023

    • 著者名/発表者名
      藤原 弘和,糸矢 祐喜,小林 正治,Bareille Cedric,辛 埴,谷内 敏之
    • 学会等名
      応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] A Nanosheet Oxide Semiconductor Transistor Using Atomic layer Deposition for 3D Integrated Devices2023

    • 著者名/発表者名
      Masaharu Kobayashi
    • 学会等名
      2023 ICICDT
    • 国際学会 / 招待講演
  • [備考]

    • URL

      https://nano-lsi.iis.u-tokyo.ac.jp/publications_j/

URL: 

公開日: 2024-12-25  

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