2013 Fiscal Year Annual Research Report
Ge薄膜中キャリア輸送機構に及ぼす同位体および界面散乱に関する研究
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25249032
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
鳥海 明 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (50323530)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 電子デバイス / 半導体物性 / ゲルマニウム / 同位体 / 界面散乱 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
Ge薄膜中のキャリア輸送機構の界面に関しては，まずはあるレベルの高性能を確保した状況で調べなければならない。我々はこの数年間でGe FETにおける移動度の改善に注力してきた。その結果，ほとんど無理と言われていたn-チャネルFETにおける電子移動度が世界でトップの値を実現できるまでに至っている。その上で，Geチャネル中における散乱機構に関する研究をすすめ，H25年度は次の二点について極めて大きな展開があった。
１）FETの移動度はゲートスタック形成に強く依存する。従来は絶縁膜としてGeO2がベスト材料と報告されてきたが，酸化物薄膜の安定性からいうとGeO2は不安定材料である。そこで酸化物の安定性とGeとの反応性という観点に遡って考えたところ，もっとも安定なゲートスタック形成のための絶縁膜としてY2O3が，特にGeO2中へのY2O3の導入が極めて安定な界面を形成することがわかった。これはスケールされた極薄絶縁膜をを形成する上でほぼベストに近い界面を実現できることがわかった。
２）n-チャネルGe FETにおいては電子濃度が高くなると移動度が急激に高くなることがわかってきた。電子濃度が高い領域における散乱機構は界面での凹凸散乱が主に効いていると理論的に報告されている。そこで界面凹凸と移動度の関係を調べてきたが改善は見られなかった。そこで考え方を変えて徹底的にGe表面の原子レベル平坦化を狙い，100%水素ガス中で熱処理をした結果，表面のサブミクロン領域にわたって原子レベル平坦性が確認された。その基板上にFETを作製し移動度を評価したところ，高電子濃度領域における移動度が大幅に向上した。界面散乱を減少させるためには，原子レベル平坦性だけでなく凹凸の相関長を考慮することがきわめて重要になってくることがわかってきた。
これら二点の実現はGe FETの移動度向上に対する本質的な貢献と言える。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
研究課題は「Ge薄膜中キャリア輸送機構に及ぼす同位体および界面散乱に関する研究」である。我々のグループはFETにおけるピーク移動度に関しては世界最高値を報告しているが，キャリア数を増加させていくと移動度は他で報告されている値とほぼ同じになってしまい，電気的に良好な界面形成だけでは解決できていないことが大きな課題であった。平成25年度は本課題に対してGe FETにおける移動度の徹底解析をすすめ，界面散乱に関して決定的に重要な次の二点を実験的に明らかにすることができた。
i)界面散乱に関してはFET動作においてキャリア数を増加させた時に顕著に効いてくることが理論的に予測されている。以前に意図的に表面凹凸を増加させることによって，そこにFETを作製して移動度がどう変化するかを評価したが，変化はほとんど見られなかった。そこで凹凸を増加させて変化をみることから離れ，基礎に戻って徹底したGe表面の平坦化を狙うことにした。そこでシリコンで実際に平坦化の例がある水素雰囲気で熱処理をする方法を試みた。100%水素アニールには安全性にかなり気を使って実験はGeの融点近くまでの900℃付近までの温度で行った。その結果，Ge表面上にステップ・テラス構造が明瞭に観測された。テラス幅はサブミクロンにまでおよび，界面散乱に寄与するような凹凸の相関長として寄与する距離に比べて圧倒的に長距離の平坦性を実現できることがわかった。
ii)上記で得られた表面上にFETを作製し移動度を評価したところ，ピーク移動度だけでなく界面散乱寄与領域における移動度の大幅向上が観測された。
上記のGe FETにおける電子移動度に関して，決定的に重要な点を明らかにすることができ，ピーク移動度だけでなくFETにおける電子数の全領域において世界最高移動度を持つGe MOSFETの実証することができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は移動度を向上させるということだけでなく，Geの基本に関わる部分として以下の点について調べて行く。まずは本研究課題の一つであるGeにおける同位体効果である。Geは同位体の種類が多く，それがGeデバイスの性能に影響はしないだろうかという観点からの研究である。まずはGe基板上に同位体Ge（今回は74Ge）のホモエピを行い，その物性を調べる。実際にはエピ膜がバルクGeと同品質の物性を示すかどうかが不明であるので，まずは物理解析を行い，あるレベルまでになっていたら，MOSキャパシタ作製，解析という手順を踏む予定である。物理解析としてはRaman測定とXRD測定を進める。
またGeの薄膜化に対してはGeOI上に形成されたFETの移動度解析をGe膜厚を変えて調べるとともに，薄膜化に伴う物性の変化，特に結晶性に着目して，Raman測定による評価を進める。特に裏面のSiO2との界面がGeに影響を及ぼしていることはわかっているので，特に薄膜化したときのGe裏面界面に着目し，薄膜化に伴う移動度劣化が裏面界面の質に大きく影響されていないかを確認する。
一方で，上記エピ膜にも関係するが，Ge基板の質自体がその上に作製されたFETの性能に強く関係していないかを詳細に調べる予定である。我々はこれまでにGeの界面に着目し，ゲートスタック形成についてのみシステマティックに調べてきた。ただ，実際には我々はいくつかのGeベンダーに関して，電気的な意味でも界面特性はほぼ同じであるにもかかわらず，移動度は大きく異なるという事実を実験的にはすでに持っている。しかしながら，これらに関しては，ほとんど深くは調べられていない。また他所ではまったく報告されていない。基板の性質に関わることであるのでPN接合のリークにも効いていると考えられ，ゲートスタック形成と接合リークの二点から基板の質の影響を統一的に調べる予定である。
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[Presentation] "Direct Band Gap Modulation in Ultra-thin Highly Doped n-type GeOI"2014
Author(s)
S. Kabuyanagi, T. Nishimura, K. Nagashio, and A. Toriumi
Organizer
7th International WorkShop on New Group IV Semiconductor Nanoelectronics and JSPS Core-to-Core Program Joint Seminar "Atomically Controlled Processing for Ultralarge Scale Integration"
Place of Presentation
TOHOKU University(Sendai, Miyagi)
Year and Date
2014-01-27 – 2014-01-28
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