スティープスロープＭＯＳトランジスタに最適なＭＯＳゲートスタック構造に関する研究

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16F16070
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 高木 信一 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (30372402)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): HUANG PO-CHIN 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 外国人特別研究員
• Project Period (FY): 2016-10-07 – 2019-03-31
• Keywords: トンネリング / MOSFET

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、電源電圧を削減し情報処理エネルギーの大幅な低減を達成できるスティープスロープMOSトランジスタにおいて、その実現の鍵となるデバイス構造とその電気評価技術に関する研究を行っている。特に、トンネルFET（TFET）に対する研究に関し、Si CMOS技術を用い、ポケットイオン注入とエクステンションイオン注入を用いて、ソース端部において電子をMOS界面方向にトンネリングさせる縦型TFETを対象として取り上げ、nチャネルTFETとpチャネルTFETの両方に関して、共同研究先の協力を得ながら、電気評価を開始した。
素子条件としては、AsおよびBのポケットイオン注入とエクステンションイオン注入の注入条件、ポケットイオン注入の位置に重要な影響を与えるオフセットスペーサの有無、ゲートスタックに用いているゲート絶縁膜の膜厚の効果、注入されたイオンの拡散抑制が期待されるCドーピングの効果、ドレイン端でのリーク電流抑制の効果が期待されるパンチスルーストッパーの効果、接合へのシリサイド形成の効果などが比較できる素子群を用いて、これらのTFETの基本電気特性の抽出に成功した。
結果として、現在までに得られている、TFETのサブスレッショールドスロープ（SS）値として、最も優れた値で、室温で、nTFET において85 mV/dec、 pTFETにおいて 75 mV/decが得られることが分かった。更にBのイオン注入条件が、critical であること、nTFETでは、ポケットイオン注入とエクステンションイオン注入で形成される領域の不純物濃度と深さが、pTFETでは、ポケットイオン注入で形成される領域の不純物濃度と深さが重要であること、オフセットスペーサがある方がTFETの電気特性が改善すること、パンチスルーストッパーがある方が接合のオフ電流が改善することなどが明らかになった。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

研究実績の概要で述べたように、来日後に本テーマに関して直接的に共同研究できる状況が整ったことから、Siを用いたトンネルFETの評価・解析に関して、先行的に研究を進めることができ、すでに実デバイスを用いて、多くの実験データの蓄積に成功している。
当初予定していた強誘電体絶縁膜を用いた素子開発に関しては、絶縁膜堆積装置の不具合発生により、順番を変えて、TFETでの研究を先に進めているが、上記の理由で、こちらは予想を上回るペースで実験が進行しており、研究計画全体から見て、順調に研究が進んでいると判断できる。

Strategy for Future Research Activity

当面順調に研究が進んでいるSiを用いたトンネルFETの評価・解析技術を先行して進める予定である。
今年度得られた電気評価を更に系統的に進めると共に、実験的に得られた素子作成条件依存性などの物理的起源を明らかにするために、デバイスシミュレーションや素子の物理解析などを並行して行い、電気特性との相関を調べることで、TFET特性の向上に取って重要な要因の明確化と更なる特性向上のためのキーパラメータの抽出を進める。
加えて、TFET特性の特性バラつきに関しても、実験データを取得して、低電圧化に対して極めて影響の大きい、特性ばらつきの実データの取得とその要因の明確化、ばらつき低減のためのキーパラメータの抽出に向けて、実験とシミュレーションの両面から研究を進める