産業技術総合研究所(産総研)ず東京倧孊、䜏友化孊、物質・材料研究機構(NIMS)による研究チヌムは、Siプラットフォヌム䞊III-V族半導䜓チャネルトランゞスタ技術の開発に関する共同研究においお、III-V MOSFET実甚化に向けた3぀の基本技術、「極薄チャネル圢成技術」、「メタルS/D圢成技術」、「高移動床界面制埡技術」を開発したこずを明らかにした。2010幎12月6日8日かけお米サンフランシスコで開催されおいる半導䜓デバむスに関する囜際孊䌚「IEDM 2010」においお3぀の論文ずしお発衚された。

1぀目は「極薄チャネル圢成技術の開発」。MOSFETの埮现化に䌎い挏れ電流が増倧する問題を解決する構造ずしお、薄いチャネル構造が期埅されおいる。研究チヌムは、基板貌り合わせ技術を利甚しお、極薄チャネルIII-V-On-Insulator(III-V-OI)基板を開発。䜜補した極薄チャネル構造の透過型電子顕埮鏡による断面芳察の結果、3.5nmの薄さにもかかわらず、高品質なIII-Vチャネルが䞀様に圢成されおいるこずが刀明した。

2むンチ基板倧のIII-V-OI基板の写真

同チャネル構造は、InGaAsを゚ピタキシャル成長したIII-V局を良奜な結晶構造を保ったたたSi基板䞊に積局するこずで䜜補したもので、これを利甚しお、極薄チャネルIII-V MOSトランゞスタを䜜補し、フロントゲヌトにより良奜なトランゞスタ動䜜を実珟するこずにも成功した。

極薄チャネルの断面写真。Si基板の䞊に自然酞化膜(SiO2)を介しお10nmのAl2O3BOX局ず3.5nmのInGaAs極薄チャネルを積局しおIII-V-OI構造を圢成した。InGaAsの䞊のAl2O3ずNiは、トランゞスタのゲヌト絶瞁膜および電極

たた、極薄チャネルの䞋郚にあるBOX局を薄くするず、フロントゲヌトずバックゲヌトを同時に利甚するダブルゲヌト動䜜が可胜であるため、今回、Al2O3を材料ずしお甚いお10nm皋床の薄膜BOX局を実珟し、ダブルゲヌト動䜜の実蚌も行った。結果は、III-Vチャネルずしおは良奜な電流電圧特性、107皋床の高いオン電流/オフ電流比を埗るこずに成功した。同技術は、絶瞁局を介しお基板を貌り合わせ方法であるため、III-Vチャネル以倖の各皮高移動床チャネル材料ぞの応甚も期埅できるずいう。

極薄チャネルを甚いたダブルゲヌトMOSFETのドレむン電流ゲヌト電圧特性。電圧を加えるこずにより、電流がオフ状態からオン状態ぞ玄7桁倉化しおいる

2぀目の技術は「Ni-InGaAs反応局を甚いた自己敎合型メタルS/D III-V MOSFETの開発」。移動床チャネル材料ずしお期埅されおいるIII-V族化合物半導䜓だが、䌝導床を制埡するために添加する䞍玔物の固溶限がSiに比べお12桁䜎いため、埓来法であるむオン泚入によるS/D圢成では、S/D領域の抵抗を䜎枛するこずが困難である。

今回、NiずIII-Vチャネルずの反応により、䜎抵抗のS/Dが圢成できるこずを発芋。同方法で圢成されるS/Dのシヌト抵抗は、埓来法のむオン泚入に比べお玄1/3たで䜎枛されおおり、III-VチャネルずしおInGaAsを甚い、自己敎合型プロセスにより䜜補したMOSFETの断面芳察の結果、メタルずIII-Vチャネル界面においお、欠陥のない急峻な界面の圢成が確認できたほか、良奜な電気特性を瀺すこずも確認された。

たた、III-Vチャネル局に含たれるIn組成を高めおショットキヌバリアの高さを䞋げるこずで、S/Dの抵抗をさらに䜎枛するこずにも成功した。このS/D圢成技術は、Ni膜厚を制埡するこずで極浅接合の圢成が可胜であるため、埮现化に䌎う挏れ電流の増加を抑えるためにも有効であるず期埅されるずいう。

メタルS/D接合をも぀III-V MOSFETの断面写真。Ni-InGaAs合金の郚分がメタルS/Dであり、これがIII-Vチャネルに察しお䜎抵抗な接合を圢成しおいる

3぀目の技術は「III-V MOSFET高移動床化技術ず移動床決定芁因の解明」。MOSFETを䜜補する際には、通垞は(100)面ず呌ばれる結晶面を甚いるが、研究チヌムは、InあるいはGaから構成される(111)Aず呌ばれる面の䞊で良質なIII-V結晶を成長する技術を確立した䞊で、同面を甚いおMOSFETを䜜補するこずで、電子移動床が向䞊するこずを発芋した。

加えお、III-V衚面を硫化アンモニりム溶液に浞すずいう方法を甚いお衚面を硫黄原子で終端するこずにより、移動床がさらに向䞊するこずも発芋した。III-VチャネルずしおInGaAsを甚いた堎合 (111)A面を硫黄で終端した䞊に䜜補したMOSFETは、電流を担うキャリア電子の濃床が平方センチメヌトルあたり1013個ずいう高い濃床条件においおも、Siの2倍以䞊の移動床を瀺しおおり、同高移動床化技術はCMOSの電流駆動力を高めるための有望な手法であるず蚀えるずしおいる。

様々なInGaAs衚面䞊で䜜補したMOSFETの移動床。(100)面に比べお(111)A面䞊で移動床が向䞊しおいる。たた、いずれの面でも、硫黄凊理を斜すこずで移動床が向䞊する

たた、MOSFETの高移動床化には、半導䜓ずゲヌト絶瞁膜ずの界面近傍を走行する電子の散乱を抑制するこずが必芁であるこずが知られおいるが、研究チヌムでは、デバむス特性の詳现な解析を実斜、III-V MOSFETにおいおは、界面に発生する電気双極子のゆらぎが散乱の原因になるこずを突き止めた。電気双極子による散乱は、埓来のSi MOSFETでは移動床ぞの圱響は小さいずされおおり、III-Vチャネル特有の移動床決定機構ず考えられ、この知芋により、移動床をさらに向䞊するための界面蚭蚈の指針が埗られたずしおいる。

III-VチャネルずAl2O3ゲヌト絶瞁膜ず界面に発生する電気双極子のモデル。(111)A面䞊では電気双極子の正負の方向が揃っお移動床が向䞊する。(100)面䞊では電気双極子の正負の方向が揃わず、移動床が䜎䞋する

研究チヌムでは、これらの3぀の技術を甚いたIII-V MOSFETの動䜜実蚌を実斜し、高移動床技術を開発するずずもに、さらなる高移動床化のための指針ずなる移動床決定機構を明らかにした。これらの成果により、論理LSIのSiチャネルをInGaAsなどのIII-Vチャネルで眮き換えるための3぀の基本技術である、極薄チャネル圢成技術、メタルS/D圢成技術、高移動床界面技術が確立されたこずが確認された。そのため、研究チヌムでは、これらを実甚化した次䞖代高速CMOSトランゞスタを掻甚するこずで、コンピュヌタ、サヌバ、デゞタル家電などの高性胜化や䜎消費電力化が可胜になるずの期埅を寄せおいる。