2012 Fiscal Year Annual Research Report
静電キャリア濃度制御で切り開く新物性探索とモットロニクス
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24244062
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Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
井上 公 独立行政法人産業技術総合研究所, 電子光技術研究部門, 主任研究員 (00356502)
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| Project Period (FY) |
2012-05-31 – 2015-03-31
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| Keywords | モットトランジスタ / パリレン / ハイブリッドゲート絶縁膜 / フォトリソグラフィー / タンタル酸化物 / 遷移金属酸化物 / 国際情報交換 / 国際研究者交流 |
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| Research Abstract |
本研究は「有機無機ハイブリッドゲート絶縁膜(井上 公・島 久、特願2010-208052)」を遷移金属酸化物単結晶に応用して世界初のモットトランジスタのプロトタイプをフォトリソグラフィーで作製し動作させることを目標とする。そのためにまず「5～10nmの極薄パリレン」を効率よく作製することが不可欠である。
本年度はその要求を満たすパリレン蒸着装置を特注・購入し実験を開始した。これにより「ハイブリッドゲート絶縁膜を用いたチャネル長20μmの電界効果トランジスタのフォトリソグラフィー」の実験も問題なく開始することができた。
さらに研究の進展を加速させるためには、膜厚を非破壊でその場で簡便に測定する装置が必要だと判断したので、予定にはなかったが、適切な測定装置を選定して購入した。
両装置により、フォトリソグラフィープロセスを（マシンタイムの制約などで）長く中断されることなく連続して行うことが可能になった。これによって、これまでの予備実験では詰め切れていなかった「パリレン極薄膜の膜質の再現性」や「パリレンのエッチング条件と下部電極のバリの関係」といった問題点を、より多くのデータを得て検証できた。これらはフォトリソグラフィで作製したモットトランジスタ（つまり実用に即したプロトタイプ）の動作例がこれまで報告されていないことの最要因である。モットトランジスタのプロトタイプを実際に動作させるという本研究の目標に向けて重要な一歩を踏み出すことができた。
本研究は昨年度まで予備実験を積み重ねて来たが、その成果をNatureの姉妹紙のScientific Reports誌に投稿し採択された(公開は次年度４月末)。
希釈冷凍機を用いた極低温での物性測定のセットアップをシンガポールの南洋理工大学の共同研究者と行い、実際に本研究で作製した試料での予備実験を開始することもできた。次年度に繋がる大きな進展である。
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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
市販の標準装置とは違う「極薄パリレン薄膜の成膜装置」の導入とクリーンルーム内での立ち上げを予定通り本年度中に完了することができた。この装置を用いて実際に5-10nmの膜厚のパリレン薄膜を作製することにも成功した。さらに作製したパリレン薄膜に高誘電酸化物薄膜を組み合わせたハイブリッドゲート絶縁膜の作製も滞りなく行うことができた。このゲート絶縁膜をフォトリソグラフィーにより加工し、電極を作製し、電界効果トランジスタを作製するというプロセスも計画通りスタートさせることができた。
このプロセスを効率よく実行することで、予想していたように今まで明確でなかった多くのプロセスの問題を見いだすことができたのだが、パリレン薄膜作成装置の選定と立ち上げに予想を上回る時間を費やしてしまったことと、当初は９月から新しいポスドクを採用する予定だったが手続上の問題で１１月からになってしまったこととが原因で、プロセスの問題を全て解決することに時間と労力を十分にあてることができなかった。幸いなことに、装置導入後の研究は加速度的に進展している。今後早い時期に問題を解決できると期待している。
イオン液体を高誘電酸化物の代わりに用いる第２のタイプのハイブリッド絶縁膜の実験は、ダイヤモンド単結晶をチャネルに用いて行う準備を進めた。これは当初に予想していなかった研究だが、もともと多くの遷移金属酸化物の薄膜作製の基板として用いているSrTiO3単結晶との対比で興味深い展開を見せていて、今後に強い期待を抱いている。
同位体置換は装置の移設を強いられた上に実験に非常に時間がかかるため難航している。極低温実験の準備は順調に進んだ。今後の進展が大いに期待される。
以上の４点が研究実施計画の柱であったが、上記のようにおおむね満足できる進展を得られたと思っている。
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| Strategy for Future Research Activity |
パリレン薄膜と高誘電酸化物Ta2O5とのハイブリッド薄膜の品質を向上させ、なおかつその再現性を高めることに本年度は取り組む。そのために、パリレン膜作製およびTa2O5膜作製の際のいくつかのパラメータの最適化を行う。品質の評価にはキャパシタ構造を作製してリーク電流と誘電率を評価することと、SEMによる断面観察、およびAFMによる表面観察を用いる。
パリレンのエッチングと下部電極のバリ問題に対応するため、本年度は新規の二層フォトレジストを用いたリソフラフィープロセスに挑戦する。昨年度に明らかになったプロセス上の問題点も踏まえて、デバイスの形状については設計を修正する。さらに、それに応じてフォトマスクも再作製する。フォトレジストの工夫とデバイス形状の工夫を相補的に導入することで、バリの完全な解消を目指す。
チャネルの遷移金属酸化物(TMO)単結晶として、プロセス検証の予備実験の段階では今年度も引き続きSrTiO3の単結晶を用いるが、年度の後半以降でNi酸化物単結晶薄膜を用いて電界効果デバイスを作製し、モット転移の電界による制御を試みる。
さらにSrTiO3の物性研究も進める。その比較としてダイヤモンド薄膜への電界効果キャリアドープも行う。SrTiO3表面の酸素同位体置換には今年度も引き続き取り組む。
希釈冷凍機を用いた極低温での物性測定をシンガポールの南洋理工大学にて行う。
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