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シリコンナノエレクトロニクス発展のためには、超薄MOS構造中の電気伝導や界面物性を理解し、これを制御・設計する必要がある。本研究では、原子制御プロセス技術を駆使して作製した超薄MOSの特性を評価解析し、これらの実験データを量子シミュレーション結果と徹底的に比較検討することで、計算機マテリアルデザインの高精度化に貢献することを目標としている。本年度では、次世代MOSFETの高性能化と超低消費電力化を可能にする金属ゲート電極と高誘電率絶縁膜との複合技術について、その実用化への課題となっているMetal/High-k界面での実効仕事関数変調機構の解明とその制御に関する研究を実施した。具体的には、精密に界面状態を制御したAu/HfSiONスタックを用い、同班が提唱する酸素空孔(Vo)及び拡張電荷中性点(φGCNL)モデルに則して系統的な実験を行った。MOSキャパシタの電気特性評価ならびに光電子分光による界面ダイポール計測結果は、量子シミュレーションから導かれた結果と完全に一致し、両モデルの妥当性を確認した。さらに、界面ダイポールの安定性を評価した結果、Vo起因の界面ダイポールは大気中で安定であるのに対し、Au-Hf軌道混成起因の界面ダイポールは非常に不安定であり、大気中のH_2O又はOH分子により徐々に解放することを明らかにした。一方、民間企業との共同研究で実施している高性能TiN/HfSiON-MISトランジスタの特性解析においても、上記シミュレーション結果を取り入れ、真空一貫プロセスで形成したTiN/HfSiONゲートスタックによるMISFET特性向上に関して、その改善機構をVoモデルを用いて説明すると共に、実デバイス試作を通じて、HfSiON絶縁膜中のカーボン不純物と電子物性との関係を予見した量子シミュレーション結果と整合するデバイス評価結果を得た。
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