【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.05.01】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

24UT0334

利用課題名 / Title

2次元材料上に堆積した絶縁体膜の特性評価

利用した実施機関 / Support Institute

東京大学 / Tokyo Univ.

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）計測・分析/Advanced Characterization（副 / Sub）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）次世代ナノスケールマテリアル/Next-generation nanoscale materials（副 / Sub）-

キーワード / Keywords

MoS2,X線回折/ X-ray diffraction,エリプソメトリ/ Ellipsometry,電子線リソグラフィ/ EB lithography,原子層薄膜/ Atomic layer thin film

利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

長汐 晃輔

所属名 / Affiliation

東京大学 大学院工学系研究科マテリアル工学専攻

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

李曙紅

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes

藤原 誠

利用形態 / Support Type

（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）,技術補助/Technical Assistance

利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

UT-503：超高速大面積電子線描画装置
UT-303：分光エリプソメータ
UT-203：粉末X線回折装置

報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

MOCVDにより２インチサファイア基板上に製膜した単層MoS₂を用いて，ウエハースケールでデバイス特性を評価している．面内配向を制御できず多結晶となるアモルファスSiO₂/Si基板と異なり，3回対称のc面サファイア表面構造を利用することで理論上ヘテロエピによる全面単結晶化が可能なこと，産業利用できる300 mmサイズのウエハが入手可能なことを特徴としている．しかしながら，サファイア基板上でのトップゲートデバイスの特性評価は報告されていない．サファイア基板上のFET特性の現状・課題を明確にすることが目的である．

実験 / Experimental

サファイア基板上に単層MoS₂をMOCVDにより全面成長させた．トップゲートMoS2 FETの作製のために，MoS₂は電子線露光とCF₄エッチングによりリボン状にパターニングし，チャネルの形状を定義した．その後，1 nmのNiと40 nmのAuを超高真空条件（約1×10^-8 Pa）で金属電極として順次堆積した．1.9 nmのErをMoS2チャネルの上にシーディング層として熱的に堆積し，大気中で酸化を経てEr₂O₃を形成した．13 nmのHfO₂を200℃のALDにより堆積した．最後に，30 nmのAuをトップゲート金属として堆積した．MoS₂の剥離プロセスには，KOH溶液（1 mol/L）を80°Cで使用した．PMMAをスピンコーティングし，110Cで10分間焼成して支持膜とした．ポリウレタン(PU)フィルムを慎重にラミネートし，ひび割れやシワを避けるためにPMMA側に貼り付け，MoS₂の平坦性を保った．KOH中でMoS₂を剥離した後，PU/PMMA/MoS₂を超純水で3回すすぎK⁺イオンを除去し，不必要なドーピングを防いだ．最後に，アセトンでPU/PMMA層を除去した後，前述のトップゲート作製プロセスを行った．

結果と考察 / Results and Discussion

サファイア基板上に直接成長したMOCVD MoS₂の輸送特性を研究するために，1.9 nmのEr₂O₃と13 nmのHfO₂を用いたトップゲートMoS₂ FETを作製した（図1参照）．図2のI_ds-V_tg曲線は，オフ状態が全く見られない強い電子ドーピングを示した．オフ状態が存在しないため，ゲート容量の正確な評価が妨げられている．そこで，ゲート容量が15 nmのEr₂O₃であるMOCVD MoS₂と機械的に剥離したMoS₂の転送特性を比較した．結果として，Er₂O₃のトップゲート絶縁体からの電荷移動が主要因ではなく，MoS₂とサファイア基板との相互作用が重要な要因であることが示唆される．MoS₂とサファイアの相互作用を調査するために，MoS₂をサファイア基板から剥離し，再びサファイア基板に転写した．図2に示す転送特性は、約5オーダーの電流スイッチングを明確に示しています。バルク結晶の機械剥離によりSi基板に転写されたMoS₂と比較して、しきい値電圧はかなり負の値のままであるが，ドーピングレベルの低下が期待できる．これは，MoS₂がKOH溶液で剥離された後，サファイア表面を終端する硫黄パッシベーション層が除去されたことを示唆している．硫黄層の除去と電荷移動によるドーピング低減との相関に関して，硫黄層の直接観察等詳細な研究を行う予定である． また，これまでトップゲートデバイスを作製しMoS₂上のEr₂O3/HfO₂膜の誘電率の経時変化を電気特性から評価してきたが，誘電率が1か月程度で半分ほどに低下する様子を観察してきた．この劣化は，デバイス作製プロセス中にMoS2上に残存するレジスト残渣の影響ではないかと推測している．そこで，今回サファイア基板上に製膜したMoS₂上に直接Er₂O₃/HfO₂膜を堆積しその経時変化をエリプソメトリー(M-2000DI-T / ジェー・エー・ウーラム・ジャパン)及びGIXR(SmartLab 3kW)で追いかけた．結果，デバイスを作製せず直接MoS₂上に堆積したEr₂O_3/HfO₂膜の密度をGIXRにより決定したところ，経時変化を示すことなく100日後でも安定であった．このことから，原子層材料であるMoS₂はレジスト残渣のようなものに対して，非常に敏感であることが分かった．今後は，レジストフリーなプロセスの検討により信頼性の高いデバイス動作が可能になると考えている．

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

図1. サファイア基板上のEr₂O₃トップゲートMoS₂FETの写真及び概念図．

図2. (左)サファイア基板上のMoS₂ FET, (中)異なるサファイア基板上に転写して作製したMoS₂ FET, (右)サファイア基板の表面に存在するS層の概念図．

その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)

口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.

1. Shuhong Li, Keisuke Atsumi, Tomonori Nishimura, Kaito Kanahashi, Yoshiki Sakuma, Kosuke, “Why does everyone transfer MoS2 grown on sapphire to a Si substrate?-Interaction between MoS2 /sapphire-”, International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM), (September. 4, 2024, Convention center Arcrea HIMEJI, Hyogo).

特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件