新材料設計による高機能化超薄MOSデバイスの創製

MOSトランジスタの高性能化は集積回路の高性能化につながり、情報化社会の更なる発展に貢献するものである。トランジスタの高性能化においてキーテクノロジーとなる金属電極(Metal)/高誘電率(High-k)ゲート絶縁膜構造は高温熱処理後に閾値電圧が増大してしまい、従来どおりの低コストプロセスで低閾値電圧動作を実現するのは困難である。しかし近年、High-k膜中にLaやAlを導入することで、絶縁膜中に界面ダイポールを誘起させ閾値電圧を制御する手法が注目されている。そこで本研究では、界面ダイポールを利用し従来どおりの低コストプロセスで高性能かつ低閾値電圧を有したMetal/High-kゲートスタックの実現を目標としている。まず、現在一部製品化まで至ったHf系High-k膜にLaを添加したHfLaSiO膜をHigh-k膜として用いて、大学でのトランジスタ自作を試みた。しかし、作製プロセスにおいてさまざまな問題が生じており、現在はプロセスの最適化を検討している最中である。一方、LaAlO膜は誘電率が高くバンドギャップも広いことから、次世代High-k膜として有望視されている。本研究では比誘電率、バンドギャップ、およびLaとAlが形成する界面ダイポールの影響を考慮しつつLa/Al組成の最適化も検討した。その結果、リーク電流低減の観点からLa/Al組成に最適組成が存在することが分かり、界面ダイポールの形成により閾値電圧を低減した上で、かつHfO_2膜の性能を上回る優れたLaAlO膜を従来どおりの作製プロセスで実現した。この結果は英文速報誌Electron Device Lettersに掲載された。また、未だ形成過程が解明されていない界面ダイポールの温度依存性を調べ、低温領域での活性化現象を初めて明らかにした。これは英文速報誌Applied Physics Lettersに掲載された。

MOSトランジスタの高性能化は集積回路の高性能化につながり、情報化社会の更なる発展に貢献するものである。トランジスタの高性能化においてキーテクノロジーとなる金属電極(Metal)/高誘電率(High-k)ゲート絶縁膜構造は高温熱処理後に閾値電圧が増大してしまい、従来どおりの低コストプロセスで低閾値電圧動作を実現するのは困難である。しかし近年、High-k膜中にLaやAlを導入することで、絶縁膜中に界面ダイポールを誘起させ閾値電圧を制御する手法が注目されている。そこで本研究では、界面ダイポールを利用し従来どおりの低コストプロセスで高性能かつ低閾値電圧を有したMetal/High-kゲートスタックの実現を目標としている。まず、現在一部製品化まで至ったHf系High-k膜にLaを添加したHfLaSiO膜をHigh-k膜として用いて、大学でのトランジスタ自作を試みた。しかし、作製プロセスにおいてさまざまな問題が生じており、現在はプロセスの最適化を検討している最中である。一方、LaAlO膜は誘電率が高くバンドギャップも広いことから、次世代High-k膜として有望視されている。本研究では比誘電率、バンドギャップ、およびLaとAlが形成する界面ダイポールの影響を考慮しつつLa/Al組成の最適化も検討した。その結果、リーク電流低減の観点からLa/Al組成に最適組成が存在することが分かり、界面ダイポールの形成により閾値電圧を低減した上で、かつHfO_2膜の性能を上回る優れたLaAlO膜を従来どおりの作製プロセスで実現した。この結果は英文速報誌Electron Device Lettersに掲載された。また、未だ形成過程が解明されていない界面ダイポールの温度依存性を調べ、低温領域での活性化現象を初めて明らかにした。これは英文速報誌Applied Physics Lettersに掲載された。