Nano-scale control of metal/high-k dielectric gate stack structures

• Project/Area Number: 19760027
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: Thin film/Surface and interfacial physical properties
• Research Institution: Waseda University
• Principal Investigator: OHMORI Kenji Waseda University, ナノ理工学研究機構, 准教授 (00421438)
• Project Period (FY): 2007 – 2008
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2008)
• Budget Amount: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥510,000); Fiscal Year 2008: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000); Fiscal Year 2007: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,300,000)
• Keywords: 金属電極 / high-k絶縁膜 / 仕事関数 / 特性ばらつき / C添加 / 金属ガラス / TiM / Ru / Mo / ゲートスタック / Ru(ルテニウム) / Mo(モリブデン) / メタルゲート / 偏析 / アモルファス

Research Abstract

Si MOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect-transistor)において、これまでのポリシリコン/シリコン酸化膜のゲート構造に代わり、金属/high-k絶縁膜が用いられようとしている。トランジスタの動作指標である閾値等は、金属ゲート材料の実効仕事関数で決まるため、その制御が大きな課題となっている。また、金属の結晶性が近年問題の顕在化が懸念される特性ばらつきに対してどう影響するかは、まだ判っていなかった。
本研究では、Ru-Mo合金の組成比を変える事により結晶性を制御し、それらを微細トランジスタの電極として用いて結晶粒径の特性ばらつきに対する影響を調べた。その結果、大きな(〜25nm)平均結晶粒径の金属薄膜をゲート電極として用いた場合は、微結晶(平均粒径〜4nm)の場合と比べて特性ばらつきが大きい事を見いだした。また、その解決法として、金属薄膜の電気的特性を変化させずに、結晶粒径を小さくする方法として、C添加法を開発した。

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 Pages: 201-201
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Pliant epitaxial ionic oxides on silicon (2008)
  • Author(s): Dmitry Kukuruznyak, Harald Reichert, Kenji Ohmori, Parhat Ahmet, Toyohiro Chikyow
  • Journal Title: Advanced Materials 20 Pages: 3827-3827
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Impact of Additional Factors in Threshold Voltage Variability of Metal/High-k Gate Stacks and Its Reduction by Controlling Crystalline Structures and Grains in the Metal Gates (2008)
  • Author(s): K. Ohmori, T. Matsuki, D. Ishikawa, T. Morooka, T. Aminaka, Y. Sugita, T. Chikyow, K. Shiraishi, Y. Nara, K. Yamada
  • Journal Title: Technical Digest of International Electron Devices Meeting Pages: 409-409
• [Journal Article] Pliant epitaxial ionic oxides on silicon (2008)
  • Author(s): D. Kukuruznyak, H. Reichert, K. Ohmori, P. Ahmet, T. Chikyow
  • Journal Title: Advanced Materials 20 Pages: 3827-3831
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Impact of Additional Factors in Threshold Voltage Variability of Metal/High-k Gate Stacks and Its Reduction by Controlling Crystalline Structures and Grains in the Metal Gates (2008)
  • Author(s): K. Ohmori, T. Matsuki, D. Ishikawa, K. Shiraishi, et.al.
  • Journal Title: Technical Digest of International Electron Devices Meeting Pages: 409-412
  • Peer Reviewed
• [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] 熱処理による電界印加HfSiON膜のダメージ回復における窒素添加効果 (2009)
  • Author(s): 菊地裕樹、田村知大、林倫弘、大毛利健治、蓮沼隆、山部紀久夫
  • Organizer: 第56回応用物理学関係連合講演会
  • Place of Presentation: 筑波大学
  • Year and Date: 2009-03-30
• [Presentation] 熱処理による電界印加HfSiON膜のダメ-ジ回復における窒素添加効果 (2009)
  • Author(s): 菊地裕樹、田村知大、林倫弘、大毛利健治、蓮沼隆、山部紀久夫
  • Organizer: 第56回応用物理学関係連合講演会
  • Place of Presentation: 筑波大学
• [Presentation] 金属/high-k絶縁膜構造トランジスタにおいて金属結晶が閾値電圧ばらつきに及ぼす影響とその抑制 (2009)
  • Author(s): 大毛利健治、松木武雄、石川大、諸岡哲、網中敏夫、杉田義博、知京豊裕、白石賢二、奈良安雄、山田啓作
  • Organizer: DM研究会「IEDM特集(先端CMOSデバイス・プロセス)技術」
  • Place of Presentation: 東京
• [Presentation] 金属/high-k絶縁膜構造MOSFETの閾値電圧ばらつきと金属の結晶性制御によるその低減 (2009)
  • Author(s): 大毛利健治、松木武雄、石川大、諸岡哲、網中敏夫、杉田義博、知京豊裕、白石賢二、奈良安雄、山田啓作
  • Organizer: ゲートスタック研究会
  • Place of Presentation: 三島市
• [Presentation] HfSiOxにおけるしきい値電圧経時劣化の成分分離 (2009)
  • Author(s): 田村知大、林倫弘、菊地裕樹、大毛利健治、蓮沼隆、山部紀久夫
  • Organizer: ゲートスタック研究会
  • Place of Presentation: 三島市
• [Presentation] Impact of Additional Factors in Threshold Voltage Variability of Metal/High-k Gate Stacks and Its Redu ction by Controlling Crystalline Structures and Grains in the Metal Gates (2008)
  • Author(s): K. Ohmori, K. Shiraishi, Y. Nara, K. Yamada, et.al.
  • Organizer: International Electron Devices Meeting
  • Place of Presentation: San Francisco. USA
  • Year and Date: 2008-12-15
• [Presentation] Influence of Hole Trapping on Threshold Voltage Shift in HfSiOx Films (2008)
  • Author(s): C: Tamura, T. Hayashi, K. Ohmori, R. Hasunuma, K. Yamabe
  • Organizer: International workshop on Dielectric Thin Films for Future ULSI Devices
  • Place of Presentation: Tokyo, Japan
  • Year and Date: 2008-11-05
• [Presentation] Combinatorial Methodology for the Exploration of Metal Gate Electrodes on HfO2 for the Advanced Gate Stack (2008)
  • Author(s): 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] Relation between solubility of silicon in high-koxides and the effect of Fermi level pinning (2008)
  • Author(s): N. Umezawa, K. Shiraishi, K. Kakushima, H. lwai, K. Ohmori, et.al.
  • Organizer: 213th Meeting of the Electrochemical Society
  • Place of Presentation: Phoenix, Arizona, USA
  • Year and Date: 2008-05-18
• [Presentation] 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
  • Organizer: 213th Meeting of The Electrochemical Society
  • Place of Presentation: Phoenix, AZ, USA
  • Year and Date: 2008-02-20
• [Presentation] 金属/high-k絶縁膜構造トランジスタにおいて金属結晶が閾値電圧ばらつきに及ぼす影響とその抑制 (2008)
  • Author(s): 大毛利健治、松木武雄、白石賢二、奈良安雄、山田啓作、他
  • Organizer: SDM研究会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2008-01-26
• [Presentation] 金属/high-k絶縁膜構造MOSFETの閾値電圧ばらつきと金属の結晶性制御によるその低減 (2008)
  • Author(s): 大毛利健治、松木武雄、白石賢二、奈良安雄、山田啓作、他
  • Organizer: ゲートスタック研究会
  • Place of Presentation: 静岡県三島市
  • Year and Date: 2008-01-23
• [Presentation] HfSiOxにおけるしきい値電圧経時劣化の成分分離 (2008)
  • Author(s): 田村知大、林倫弘、菊地裕樹、大毛利健治、蓮沼隆、山部紀久夫
  • Organizer: ゲートスタック研究会
  • Place of Presentation: 静岡県三島市
  • Year and Date: 2008-01-23
• [Presentation] Impact of Additional Factors in Threshold Voltage Variability of Metal/High-k Gate Stacks and Its Reduction by Controlling Crystalline Structures and Grains in the Metal Gates (2008)
  • Author(s): K. Ohmori, T. Matsuki, D. Ishikawa, T. Morooka, T. Aminaka, Y. Sugita, T. Chikyow, K. Shiraishi, Y. Nara, K. Yamada
  • Organizer: International Electron Devices Meeting
  • Place of Presentation: San Francisco, USA,
• [Presentation] Influence of Hole Trapping on Threshold Voltage Shift in HfSiOx Films (2008)
  • Author(s): Chihiro Tamura, Tomohiro Hayashi, Kenji Ohmori, Ryu Hasunuma, and Kikuo Yamabe
  • Organizer: International workshop on Dielectric Thin Films for Future ULSI Devices(IWDTF)
  • Place of Presentation: Tokyo
• [Presentation] PDA温度がHfSiOxの電気的特性経時劣化へ与える影響 (2008)
  • Author(s): 田村知大、林倫弘、大毛利健治、蓮沼隆、山部紀久夫
  • Organizer: 第69回応用物理学会学術講演会
  • Place of Presentation: 中部大学
• [Presentation] Relation between solubility of silicon in high-k oxides and the effect of Fermi level pinning (2008)
  • Author(s): N. Umezawa, K. Shiraishi, K. Kakushima, H. Iwai, K. Ohmori, K. Yamada, T. Chikyow
  • Organizer: 213th Meeting of the Electrochemical Society
  • Place of Presentation: Phoenix, AZ, USA
• [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] 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
• [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
• [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半導体素子 (2008)
  • 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
  • Filing Date: 2008-12-08
• [Patent(Industrial Property Rights)] 金属電極及びこれを用いた半導体素子 (2008)
  • Inventor(s): 大毛利健治、知京豊裕
  • Industrial Property Rights Holder: 早稲田大学、NIMS
  • Filing Date: 2008-12-05