金属ゲート/High-k絶縁膜スタック構造のナノスケール界面制御

• 研究課題/領域番号: 19760027
• 研究種目: 若手研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 薄膜・表面界面物性
• 研究機関: 早稲田大学
• 研究代表者: 大毛利 健治 早稲田大学, ナノ理工学研究機構, 准教授 (00421438)
• 研究期間 (年度): 2007 – 2008
• 研究課題ステータス: 完了 (2008年度)
• 配分額: 3,510千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 510千円); 2008年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円); 2007年度: 1,300千円 (直接経費: 1,300千円)
• キーワード: 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

研究概要

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。

研究成果

• [雑誌論文] Control of Crystalline Microstructures in Metal Gate Electrodes for Nano CMOS Devices (2008)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: ECS Transactions 13 ページ: 201-201
  • 査読あり
• [雑誌論文] Pliant epitaxial ionic oxides on silicon (2008)
  • 著者名/発表者名: Dmitry Kukuruznyak, Harald Reichert, Kenji Ohmori, Parhat Ahmet, Toyohiro Chikyow
  • 雑誌名: Advanced Materials 20 ページ: 3827-3827
  • 査読あり
• [雑誌論文] 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)
  • 著者名/発表者名: K. Ohmori, T. Matsuki, D. Ishikawa, T. Morooka, T. Aminaka, Y. Sugita, T. Chikyow, K. Shiraishi, Y. Nara, K. Yamada
  • 雑誌名: Technical Digest of International Electron Devices Meeting ページ: 409-409
• [雑誌論文] Pliant epitaxial ionic oxides on silicon (2008)
  • 著者名/発表者名: D. Kukuruznyak, H. Reichert, K. Ohmori, P. Ahmet, T. Chikyow
  • 雑誌名: Advanced Materials 20 ページ: 3827-3831
  • 査読あり
• [雑誌論文] 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)
  • 著者名/発表者名: K. Ohmori, T. Matsuki, D. Ishikawa, K. Shiraishi, et.al.
  • 雑誌名: Technical Digest of International Electron Devices Meeting ページ: 409-412
  • 査読あり
• [雑誌論文] Control of Crystalline Microstructures in Metal Gate Electrodes for Nano CMOS Devices (2008)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: ECS Transactions 13(未定)(印刷中)
  • 査読あり
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 菊地裕樹、田村知大、林倫弘、大毛利健治、蓮沼隆、山部紀久夫
  • 学会等名: 第56回応用物理学関係連合講演会
  • 発表場所: 筑波大学
  • 年月日: 2009-03-30
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 菊地裕樹、田村知大、林倫弘、大毛利健治、蓮沼隆、山部紀久夫
  • 学会等名: 第56回応用物理学関係連合講演会
  • 発表場所: 筑波大学
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: DM研究会「IEDM特集(先端CMOSデバイス・プロセス)技術」
  • 発表場所: 東京
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: ゲートスタック研究会
  • 発表場所: 三島市
• [学会発表] HfSiOxにおけるしきい値電圧経時劣化の成分分離 (2009)
  • 著者名/発表者名: 田村知大、林倫弘、菊地裕樹、大毛利健治、蓮沼隆、山部紀久夫
  • 学会等名: ゲートスタック研究会
  • 発表場所: 三島市
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: K. Ohmori, K. Shiraishi, Y. Nara, K. Yamada, et.al.
  • 学会等名: International Electron Devices Meeting
  • 発表場所: San Francisco. USA
  • 年月日: 2008-12-15
• [学会発表] Influence of Hole Trapping on Threshold Voltage Shift in HfSiOx Films (2008)
  • 著者名/発表者名: C: Tamura, T. Hayashi, K. Ohmori, R. Hasunuma, K. Yamabe
  • 学会等名: International workshop on Dielectric Thin Films for Future ULSI Devices
  • 発表場所: Tokyo, Japan
  • 年月日: 2008-11-05
• [学会発表] Combinatorial Methodology for the Exploration of Metal Gate Electrodes on HfO2 for the Advanced Gate Stack (2008)
  • 著者名/発表者名: Kao-Shuo Chang, Martin Green, John Suehle, Jason Hattrick-Simpers, Ichiro Takeuchi, Kenji Ohmori, T. Chikyow, Stefan De Gendt, Prashant Majhi
  • 学会等名: 213th Meeting of The Electrochemical Society
  • 発表場所: Phoenix, AZ, USA
  • 年月日: 2008-05-20
• [学会発表] Relation between solubility of silicon in high-koxides and the effect of Fermi level pinning (2008)
  • 著者名/発表者名: N. Umezawa, K. Shiraishi, K. Kakushima, H. lwai, K. Ohmori, et.al.
  • 学会等名: 213th Meeting of the Electrochemical Society
  • 発表場所: Phoenix, Arizona, USA
  • 年月日: 2008-05-18
• [学会発表] Control of Crystalline Microstructures in Metal Gate Electrodes for Nano CMOS Devices (2008)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 213th Meeting of The Electrochemical Society
  • 発表場所: Phoenix, AZ, USA
  • 年月日: 2008-02-20
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 大毛利健治、松木武雄、白石賢二、奈良安雄、山田啓作、他
  • 学会等名: SDM研究会
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 2008-01-26
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 大毛利健治、松木武雄、白石賢二、奈良安雄、山田啓作、他
  • 学会等名: ゲートスタック研究会
  • 発表場所: 静岡県三島市
  • 年月日: 2008-01-23
• [学会発表] HfSiOxにおけるしきい値電圧経時劣化の成分分離 (2008)
  • 著者名/発表者名: 田村知大、林倫弘、菊地裕樹、大毛利健治、蓮沼隆、山部紀久夫
  • 学会等名: ゲートスタック研究会
  • 発表場所: 静岡県三島市
  • 年月日: 2008-01-23
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: K. Ohmori, T. Matsuki, D. Ishikawa, T. Morooka, T. Aminaka, Y. Sugita, T. Chikyow, K. Shiraishi, Y. Nara, K. Yamada
  • 学会等名: International Electron Devices Meeting
  • 発表場所: San Francisco, USA,
• [学会発表] Influence of Hole Trapping on Threshold Voltage Shift in HfSiOx Films (2008)
  • 著者名/発表者名: Chihiro Tamura, Tomohiro Hayashi, Kenji Ohmori, Ryu Hasunuma, and Kikuo Yamabe
  • 学会等名: International workshop on Dielectric Thin Films for Future ULSI Devices(IWDTF)
  • 発表場所: Tokyo
• [学会発表] PDA温度がHfSiOxの電気的特性経時劣化へ与える影響 (2008)
  • 著者名/発表者名: 田村知大、林倫弘、大毛利健治、蓮沼隆、山部紀久夫
  • 学会等名: 第69回応用物理学会学術講演会
  • 発表場所: 中部大学
• [学会発表] Relation between solubility of silicon in high-k oxides and the effect of Fermi level pinning (2008)
  • 著者名/発表者名: N. Umezawa, K. Shiraishi, K. Kakushima, H. Iwai, K. Ohmori, K. Yamada, T. Chikyow
  • 学会等名: 213th Meeting of the Electrochemical Society
  • 発表場所: Phoenix, AZ, USA
• [学会発表] Wide Controllability of Flatband Voltage by Tuning Crystalline Microstructures in Metal Gate Electrodes (2007)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: International Electron Devices Meeting
  • 発表場所: Washington DC, USA
  • 年月日: 2007-12-11
• [学会発表] Landscape of Combinatorial Materials Exploration and Materials Informatics (2007)
  • 著者名/発表者名: Chikyow Toyohiro, T. Nagata, N. Umezawa, M. Yoshitake, K. Ohmori, T. Yamada, M. Lippma and H. Koinuma
  • 学会等名: 2007 MRS Fall Meeting
  • 発表場所: Boston, MA, USA
  • 年月日: 2007-11-26
• [学会発表] ハイスループット材料合成と電子デバイスへの応用 (2007)
  • 著者名/発表者名: 大毛利健治
  • 学会等名: 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」
  • 発表場所: 化学会館ホール
  • 年月日: 2007-09-29
• [学会発表] ハイスループット材料合成と電子デバイスへの応用 (2007)
  • 著者名/発表者名: 大毛利健治
  • 学会等名: 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」
  • 発表場所: 化学会館ホール
  • 年月日: 2007-09-29
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 大毛利健治、細井卓治、渡部平司、山田啓作、知京豊裕
  • 学会等名: 秋季第68回応用物理学会学術講演会
  • 発表場所: 北海道工業大学
  • 年月日: 2007-09-06
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 大毛利健治、細井卓治、渡部平司、山田啓作、知京豊裕
  • 学会等名: 秋季 第68回応用物理学会学術講演会
  • 発表場所: 北海道工業大学
  • 年月日: 2007-09-06
• [備考] 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
• [備考] 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)
• [産業財産権] 金属電極及びこれを用いた半導体素子 (2008)
  • 発明者名: 大毛利健治、知京豊裕
  • 権利者名: 早稲田大学、物質・材料研究機構
  • 出願年月日: 2008-12-08
• [産業財産権] 金属電極及びこれを用いた半導体素子 (2008)
  • 発明者名: 大毛利健治、知京豊裕
  • 権利者名: 早稲田大学、NIMS
  • 出願年月日: 2008-12-05