High-k/メタルゲートMOSFETの生産が可能になるのは、未だ数年先と思われるが、Hfベースの酸化膜と完全シリサイド化(FUSI)ポリシリコン(NiSi)を使用した代替品は、国際電子デバイス会議(IEDM)で発表された論文を見ても分かるように、実用化に向けて確実に進展している。今までは、複数の異なる相のNiSiを使用してPMOSとNMOSトランジスタの機能としきい電圧(V_t)を達成することに成功していたが、¹)NECの最近のレポートによれば、SOI上に配した単相NiSiによっても低スタンバイ電力及び低動作電力のいずれのデバイスの場合でも相制御なしにV_tの制御が可能であるとしている。High-kインテグレーションのもう一つの重要な側面は信頼性の向上と、そして、リーク電流を低い値に維持できることである。東芝、NECおよびソニーの研究によれば、最上部に非常に低濃度のHfを配したMOCVD HfSiONの場合、酸化膜経時破壊(TDDB：Time-DependentDielectric-Breakdown)寿命が改善され、しかも、リーク電流が低い値に維持されるとしている。

　最近の研究では、Fはメタルゲート/HfSiONベースのFETの信頼性を向上している。²)F元素を含むことで界面トラップ密度が小さくなり、その結果、SiONデバイス内の低周波ノイズ(1/f)を下げることができるとしている。但し、アナログ回路およびRF回路用のHfSiON膜内の1/fノイズの低減効果については未確認だという。米カリフォルニア大学バークレイ校の研究者グループはIEDMにおいて、FはSiO₂デバイスの場合と同様にHfSiON PFETの1/fノイズを減らすことはできても、HfSiON nFETの場合には同様の効果は得られないとする報告を行った。

　最近の研究では、Fはメタルゲート/HfSiONベースのFETの信頼性を向上している。²)F元素を含むことで界面トラップ密度が小さくなり、その結果、SiONデバイス内の低周波ノイズ(1/f)を下げることができるとしている。但し、アナログ回路およびRF回路用のHfSiON膜内の1/fノイズの低減効果については未確認だという。米カリフォルニア大学バークレイ校の研究者グループはIEDMにおいて、FはSiO₂デバイスの場合と同様にHfSiON PFETの1/fノイズを減らすことはできても、HfSiON nFETの場合には同様の効果は得られないとする報告を行った。

　NECシステムデバイス研究室の寺島浩一氏の研究グループはNi-FUSI/HfSiONFETの広域V_t制御(V_t = 0.2-0.6V)の方法を発表した。V_t はSOI基板を使用することで0.1～0.15V程度小さくなるが、FUSIデバイスについてはV_t制御のベストの方法は未だ見つかっていない。これまで、nFETデバイスにはNiSi(Nイオン封入あり/なし)又はNiSi₂を、そして、pFETデバイスにはNi₃Si又はNi₂Si(Fイオン封入あり)を使用している(表)。NECの研究グループは、Ni₂SiとNi₃SiはnFETデバイスには適さないという結論を下しているが、これは、Ni濃度の高いシリサイドが作られる時にHfSiON内に固定電荷が発生し、これによるクーロン分散によって電子の移動性が低下するためとしている。一方、pFETの場合は、固定電荷が発生してもホールの移動度の低下が無視できるほどに小さいことから、高Ni濃度のシリサイドをV_t制御に使用できるとしている。但し、移動度と信頼性を改善するという観点からは、pFET/NiSi/F封入は高Ni濃度シリサイドよりもベターであるという。

　東芝/NEC/SONYの研究プロジェクトによれば、HfSiONに薄いキャップ層を加えることでデバイスの信頼性が大幅に向上する。HfSiONのMOCVDプロセスでは通常、TDMASなどのメタル有機物が使用される。ただし、新しいSiソース材料はHf濃度の制御範囲が広く(6～100％)、炭素汚染のレベルが一桁小さくなる。低Hf濃度(Hf/(Hf+Si)=6％)のキャップ層の誘電率は8であり、そして、HfSiON層の誘電率は12である。キャップ膜を加えることにより、キャリアトラップの減少によって起こるV_tのシフトを抑えることができる。信頼性が改善されるのは、HfSiON層内の電界が減少するためである。

1. P. Singer, “New Approaches to Fabricating Metal Gates,” Semiconductor International,August 2006, p. 30.

2. L. Peters, “Hafnium Makes Its Way to a Fab Near You,” Semiconductor International,December 2005, p.17.