新材料ゲートスタック構造に向けた超高速一斉デバイス特性評価手法の開発

• Project/Area Number: 19026014
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Waseda University
• Principal Investigator: 大毛利 健治 Waseda University, ナノ理工学研究機構, 准教授 (00421438)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 山田 啓作 早稲田大学, ナノ理工学研究機構, 教授 (30386734) ; 知京 豊裕 物質・材料研究機構, センター長 (10354333)
• Project Period (FY): 2007
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2007)
• Budget Amount: ¥2,400,000 (Direct Cost: ¥2,400,000); Fiscal Year 2007: ¥2,400,000 (Direct Cost: ¥2,400,000)
• Keywords: ゲートスタック / high-k絶縁膜 / コンビナトリアル手法 / メタルゲート

Research Abstract

本研究課題では、MOS-FETの核心部である新材料ゲートスタック構造の探索に向けて、効率的にプロセス変数を変え、超高速に材料・構造の最適化・フィルタリングを行う手法(コンビナトリアル手法)を、デバイスのトランジスタ特性評価にまで発展させることを目的とした。
具体的には、約10mm×10mmの中に、約400個のトランジスタをアレイ状に配置した基板をテンプレートとして制作し、トランジスタ作製フローにコンビナトリアル手法による組成傾斜膜を適用した。特にゲート金属としてこれまで研究を行ってきたRu-Mo合金を用いてプロセス適合性を検討した。
Moはbcc構造、Ruはfcc構造をとるためにRu-Mo合金はRu濃度約50%で結晶の相変化をおこす。この結晶性の変化と仕事関数の相関をXPS及び電気特性の評価によって比較した結果、仕事関数の変化率は結晶構造に大きく依存する事がわかった。さらに、Ru濃度60-95%において、絶縁膜と金属電極の間にMoが偏析する事がわかり、それによりhigh-k絶縁膜上で問題になっている実効仕事関数の制御(フェルミレベルピニング)に関して新しい制御の方法を見いだすことが出来た。
開発したトランジスタ作製プロセスにおいても、Ru偏析による実効仕事関数の変化が観測され、これまでのキャパシタによる実験と矛盾しない結果が得られた。今後は新しい材料系に対して、この手法を適用していく予定である。

Research Products

• [Journal Article] Control of crystalline Microstructures in Metal Gate Electrodes for Nano CMOS Devices (2008)
  • Author(s): K. Ohmori, T. Chikyow, T. Hosoi, H. Watanabe, K. Nakajima, T. Adachi, A. Ishikawa, Y. Sugita, Y. Nara, Y. Ohji, K. Shiraishi, K. Yamabe, K. Yamada
  • Journal Title: ECS Transactions 13(未定(印刷中))
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Control of crystalline Microstructures in Metal Gate Electrodes for Nano CMOS Devices (2008)
  • Author(s): (Invited) K. Ohmori, T. Chikyow, T. Hosoi, H. Watanabe, K. Nakajima, T. Adachi, A. Ishikawa Y. Sugita, Y. Nara, Y. Ohji, K. Shiraishi, K. Yamabe, K. Yamada
  • Organizer: 213th Meeting of The Electrochemical Society
  • Place of Presentation: Phoenix, AZ, USA
  • Year and Date: 2008-05-20
• [Presentation] Combinatorial Methodology for the Exploration of Metal Gate Electrodes on HfO2 for the Advanced Gate Stack (2008)
  • Author(s): (Invited) Kao-Shuo Chang, Martin Green, John Suehle, Jason Hattrick-Simpers, Ichiro Takeuchi, Kenji Ohmori, T. Chikyow, Stefan De Gendt, Prashant Majhi
  • Organizer: 213th Meeting of The Electrochemical Society
  • Place of Presentation: Phoenix, AZ, USA
  • Year and Date: 2008-05-20
• [Presentation] Wide Controllability of Flatband Voltage by Tuning Crystalline Microstructures in Metal Gate Electrodes (2007)
  • Author(s): K. Ohmori, T. Chikyow, T. Hosoi, H. Watanabe, K. Nakajima, T. Adachi, A. Ishikawa, Y. Sugita, Y. Nara, Y. Ohji, K. Shiraishi, K. Yamabe, K. Yamada
  • Organizer: International Electron Devices Meeting
  • Place of Presentation: Washington DC, USA
  • Year and Date: 2007-12-11
• [Presentation] Landscape of Combinatorial Materials Exploration and Materials Informatics (2007)
  • Author(s): Chikyow Toyohiro, T. Nagata, N. Umezawa, M. Yoshitake, K. Ohmori, T. Yamada, M. Lippma and H. Koinuma
  • Organizer: 2007 MRS Fall Meeting
  • Place of Presentation: Boston, MA, USA
  • Year and Date: 2007-11-26
• [Presentation] ハイスループット材料合成と電子デバイスへの応用 (2007)
  • Author(s): 大毛利健治
  • Organizer: 日本学術振興会 第151委員会公開シンポジウム「ナノ・ハイスループット材料開発への挑戦」
  • Place of Presentation: 化学会館ホール
  • Year and Date: 2007-09-29
• [Presentation] C添加による金属ゲート材料の結晶構造制御とアモルファス化 (2007)
  • Author(s): 大毛利健治、細井卓治、渡部平司、山田啓作、知京豊裕
  • Organizer: 秋季 第68回応用物理学会学術講演会
  • Place of Presentation: 北海道工業大学
  • Year and Date: 2007-09-06
• [Remarks] 新聞記事掲載(2007年12月11日)電波新聞、日経産業新聞、化学工業日報、日刊工業新聞(IEDMでの発表内容に関してプレスリリースを行った)
• [Patent(Industrial Property Rights)] 金属電極及びこれを用いたCMOS回路 (2007)
  • Inventor(s): 大毛利健治、知京豊裕
  • Industrial Property Rights Holder: 早稲田大学物質・材料研究機構
  • Industrial Property Number: 2007-317614
  • Filing Date: 2007-12-07