高誘電率ゲート絶縁膜、及び高移動度チャネル材料に関する研究

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MOSFETは短チャネル効果によるリーク電流増大により微細化の限界を迎え,シリコンよりキャリア移動度の高いゲルマニウムチャネルへの置き換えが期待されている.本研究では,界面制御層としてGeO_2を選択し,GeO_2/Ge構造の物性を理解し,欠陥生成のメカニズムの解明と制御手法の検討を行った.GeO_2/Ge構造における大きな問題は界面の熱的安定性と酸化膜の吸湿性及び水溶性である.Ge基板の熱酸化によるGeO_2形成過程(>450℃)において,GeO_2/Ge界面反応によりGeOが脱離することを観察した.また,このGeO脱離によりGeO_2/Ge界面ラフネスが増大し,界面準位の増加,厚いGeO_xを形成といった界面特性の劣化を確認した.このGeO脱離を抑制するために低温プロセス(400℃)を導入することで,良好なGeO_2/Ge界面を形成出来ることを見出した.また,GeO_2形成後の大気暴露によって,大気中の水分を酸化膜が吸収し,界面GeO_x層中にドナートラップを形成することを発見した.また,酸化膜中の水分は300℃のアニール処理で脱離すること,GeO_2膜上に金属層を形成することで水分の吸収を抑制出来ることを確認した.以上の結果を踏まえ,電極形成後にアニール処理を300℃で施すことで,酸化膜中の水分の脱離,ゲルマニウムの未結合手の再配列,金属電極による水分の吸収抑制を同時に達成し,トラップ密度の大幅な低減に成功した.さらに,上記低温プロセスとアニールプロセスを組み合わせることで,界面準位密度を低減することに成功し,SiO_2/Si界面と同等の良好なGeO_2/Ge界面を形成することに成功した.