原子オーダ平坦な界面を有する3次元立体構造トランジスタの製造プロセスに関する研究

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 22000010
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 大見 忠弘 東北大学, 未来科学技術共同研究センター, 名誉教授 (20016463)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 平山 昌樹 東北大学, 未来科学技術共同研究センター, 准教授 (70250701) ; 後藤 哲也 東北大学, 未来科学技術共同研究センター, 准教授 (00359556) ; 諏訪 智之 東北大学, 未来科学技術共同研究センター, 助教 (70431541)
• Project Period (FY): 2010-04-21 – 2015-03-31
• Keywords: MOSトランジスタ / シリコン表面平坦化 / プラズマプロセス

Outline of Annual Research Achievements

任意のシリコン表面上に、ゲート絶縁膜とシリコンの界面が原子オーダで平坦になされた3次元立体構造MOSトランジスタを製造するプロセス技術を創出して、シリコン結晶の有する全性能を駆使することにより、超低消費電力で文字通り超高速動作するバランスドCMOSシリコン集積回路(LSI)を創出することが本研究の目的である。平成25年度までに、マイクロ波励起高密度プラズマ装置を用いて、Xe/H2プラズマによるシリコン表面の平坦化を行い、H2濃度が10%、プロセス圧力が266Paにおいて、Si(100)表面では平均粗さで0.039nmまで平坦化され、Si(551)表面では平均粗さで0.068nmまで平坦化されることを実証した。平成26年度は、MOSデバイスに対してXe/H2プラズマによるシリコン表面平坦化の効果を検証した。Si(100)基板に対して、素子分離形成後、ゲート酸化膜形成直前にXe/H2プラズマ平坦化を行い、そのままKr/O2プラズマを用いたラジカル酸化によるゲート酸化膜形成を行った。試作したMOSキャパシタにより電気的特性を評価した。平坦化を行わない従来のシリコン平坦面(約0.1nmの平均表面粗さ)を有するMOSキャパシタに比べて、Xe/H2プラズマ平坦化を行ったMOSキャパシタでは、絶縁破壊電界強度が約1 MV/cm向上するとともに、それぞれ20サンプルに対する絶縁破壊電界強度のばらつきもXe/H2プラズマ平坦化を行うことにより小さくなった。これは、Xe/H2プラズマ平坦化により、ゲート酸化膜/Si界面が平坦化され、絶縁破壊を誘起する電界集中箇所が抑制されたためと考えられる。この結果から、Xe/H2プラズマ平坦化は、MOSデバイスの電気的信頼性向上に有効であることが実証された。また、Xe/H2プラズマ平坦化はゲート酸化膜形成直前に行えるため、従来のCMOS製造プロセスへの導入が比較的容易であると考えられる。すなわち、Xe/H2プラズマ平坦化技術は、デバイス性能の面だけでなく、製造プロセスの面でも有効であるといえる。

Research Products

• [Journal Article] Atomically flattening of Si surface of silicon on insulator and isolation-patterned wafers (2015)
  • Author(s): Tetsuya Goto, Rihito Kuroda, Naoya Akagawa, Tomoyuki Suwa, Akinobu Teramoto, Xiang Li, Toshiki Obara, Daiki Kimoto, Shigetoshi Sugawa, Tadahiro Ohmi, Yutaka Kamata, Yuki Kumagai, and Katsuhiko Shibusawa
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 54 Pages: 04DA04-1-04DA04-7
  • DOI: 10.7567/JJAP.54.04DA04
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effect of Composition Ratio on Erbium Silicide Work Function on Different Morphology of Si(100) Surface Changed by Alkaline Etching (2014)
  • Author(s): Hiroaki Tanaka, Tomoyuki Suwa, Akinobu Teramoto, Tsukasa Motoya, Shigetoshi Sugawa, and Tadahiro Ohmi
  • Journal Title: ECS Transactions Volume: 61 Pages: 47-53
  • DOI: 10.1149/06103.0047ecst
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Flattening Technique of (551) Silicon Surface Using Xe/H2 Plasma (2014)
  • Author(s): Tomoyuki Suwa, Akinobu Teramoto, Shigetoshi Sugawa, and Tadahiro Ohmi
  • Journal Title: ECS Transactions Volume: 61 Pages: 401-407
  • DOI: 10.1149/06102.0401ecst
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 応用物理学会優秀論文賞受賞記念講演"Chemical Structure of Interfacial Transition Layer Formed on Si(100) and Its Dependence on Oxidation Temperature, Annealing in Forming Gas, and Difference in Oxidizing Species" (2014)
  • Author(s): 諏訪智之、寺本章伸、熊谷勇喜、阿部健一、李翔、中尾幸久、山本雅士、野平博司、室隆桂之、木下豊彦、須川成利、大見忠弘、服部健雄
  • Organizer: 第75回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 北海道大学, 札幌
  • Year and Date: 2014-09-19
• [Presentation] Atomically Flattening of Si Surface of SOI and Isolation-patterned Wafers (2014)
  • Author(s): T. Goto, R. Kuroda, N. Akagawa, T. Suwa, A. Teramoto, X. Li, S. Sugawa, T. Ohmi, Y. Kumagai, Y. Kamata, and K. Sibusawa
  • Organizer: The 2014 International Conference on Solid State Devices and Materials
  • Place of Presentation: Tsukuba International Congress Center, つくば
  • Year and Date: 2014-09-09
• [Presentation] Flattening Technique of (551) Silicon Surface Using Xe/H2 Plasma (2014)
  • Author(s): Tomoyuki Suwa, Akinobu Teramoto, Shigetoshi Sugawa, and Tadahiro Ohmi
  • Organizer: 225th Meeting of The Electrochemical Society
  • Place of Presentation: Hilton Orlando Bonnet Creek, Orlando, USA
  • Year and Date: 2014-05-14
• [Presentation] Effect of Composition Ratio on Erbium Silicide Work Function on Different Morphology of Si(100) Surface Changed by Alkaline Etching (2014)
  • Author(s): Hiroaki Tanaka, Tomoyuki Suwa, Akinobu Teramoto, Tsukasa Motoya, Shigetoshi Sugawa, and Tadahiro Ohmi
  • Organizer: 225th Meeting of The Electrochemical Society
  • Place of Presentation: Hilton Orlando Bonnet Creek, Orlando, USA
  • Year and Date: 2014-05-13