次世代高移動度チャネル材料向け全窒化膜ゲートスタック技術の研究

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 24560390
• Research Institution: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
• Principal Investigator: 前田 辰郎 独立行政法人産業技術総合研究所, ナノエレクトロニクス研究部門, 主任研究員 (40357984)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 安田 哲二 独立行政法人産業技術総合研究所, ナノエレクトロニクス研究部門, 研究部門長 (90220152)
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2015-03-31
• Keywords: 窒化物 / ゲルマニウム / 非酸化物

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、次世代Geチャネル材料のMOS構造として、金属性と絶縁性を兼ね備えたHfNxという窒化膜に着目し、“金属性HfN/絶縁性HfNx/Ge-MIS構造”という非酸化膜ゲートスタック構造の電気的なポテンシャルを検証することである。HfNxは、組成比1:1の金属性HfNと組成比3:4の絶縁性Hf3N4が知られており、窒素の組成の増加と共に金属性から絶縁性まで物性が変化するというユニークな電子物性を持っている。研究の結果、単一金属Hfターゲットを用いた反応性DCマグネトロンスパッタリング法においてアルゴン/窒素流量比のみの変化で、金属性HfN(抵抗率349uΩ・cm)から絶縁性HfNx(Eg=2.9eV)が作製できることが明らかになった。薄膜での結果をベースにして、HfN金属/ HfN絶縁体/Geチャネル材料のゲートスタック構造を大気に暴露する事無く同一スパッタリング装置内で連続して作成し、想定していた酸化膜フリーの全窒化膜ゲートスタックを実現した。さらに、絶縁性HfNｘは、Si基板とGe基板両方の基板を用いたMOS構造において比誘電率が20以上のHigh-k材料である事が始めてわかった。また、Ge基板上の絶縁膜では界面準位密度低い良好な界面を形成することから、目的とした高品質なゲートスタック構造が実現できることがわかった。このGe-MIS構造は、500℃まで電気的な性能が劣化することなく、熱的に安定であることも明らかとなった。得られた成果は、応用物理学会等で速やかに外部発表を行い、高移動度チャネル材料向けの新しいコンセプトのゲート構造ということで注目を浴びている。

Research Products

• [Journal Article] Solid phase epitaxy of GeSn alloys on silicon and integration in MOSFET devices (2014)
  • Author(s): Ruben R. Lieten, Tatsuro Maeda, Jin Won Seo, Wipakorn Jevasuwan, Hiroyuki Hattori, Noriyuki Uchida, Shu Miura, Masatoshi Tanaka, Claudia Fleischmanna, Andre Vantomme, Brett C. Johnson, Jean-Pierre Locquet
  • Journal Title: ECS Transactions Volume: 64 Pages: 149~160
  • Peer Reviewed