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WAFER PROCESSING

IEDMでは45nm向け
メタルゲート/High-kが焦点に

[2007年12月号]

By Peter Singer
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 今年初め、米Intel社と米IBM社は、45nmデバイス向けメタルゲートとHigh-kゲート絶縁膜を年末までに生産に移すことを発表した。そもそもSiO2を用いた従来のゲート絶縁膜は、駆動電流を高く保つためゲートからチャネルへの静電結合を最大にするため、非常に薄くする必要がある。その厚さは原子4個分に相当する1.2nmと、限界に達している。さらに薄膜化すればリーク電流を高める結果となるだろう。High-k膜はより厚膜の材料へ道を開き、良好な静電結合を保ちながらリークを減少させることに役立つだろう。メタルゲートはそれだけで性能優位性をもつが、High-k/Siの界面で起きる問題のためHigh-k膜と対にする必要がある。

 今年のIEDM(国際電子デバイス会議)は12月10日から米ワシントンD.C.にて開催され、High-k/メタルゲートをテーマにした2つのセッションが中心となるとみられる。

 IEDMではIntelの研究者らが45nm技術について詳細を明らかにするだろう。厚さ1nmのHigh-k絶縁膜、デュアルバンドエッジの仕事関数を持つメタルゲート、トレンチコンタクトベースの局所配線、第3世代の歪みSi、Low-k層間絶縁膜(ILD)を持つ9層のCu配線、クリティカル膜用の低コストArFドライパターニング、Pbフリー・パッケージングなども含まれている。Intelは同プロセスを使用して、複数のマイクロプロセッサだけでなく、セルサイズ0.346μm2の153Mb SRAMメモリーアレイも製造している。

 米カリフォルニア大学バークレー校、Intel、米SEMATECH、米テキサス大学オースティン校、米AMD社、IBM、韓国のMolecular Nanoelectronics LabおよびGIST社は、フラッシュアニールが45nm以細CMOS向けHigh-k/メタルゲートMOSFETの性能と信頼性に与える影響について報告する。フラッシュアニールは、極浅接合(USJ:Ultra Shallow Junction)を実現しながら、High-k/メタルゲート積層の整合性を保持できることが示されるだろう。

 日本からは東京大学とMIRAIの研究者らが、ゲートファーストプロセスを用いた0.5nmのFUSI NiSi/HfO2/HfSiOx/Siゲート積層構造をいかにして実現したかを発表する。HfSiOx界面層はサイクル毎の成膜とアニールプロセスにより形成され、HfO2成長のため、In-situで、層ごとの成膜とアニールが続いた。最終的にVfb+1.0Vでゲートリーク電流4A/cm2以下、0.8MV/cmでの実効電子移動度120cm2/Vsecの結果を得た。

 NECは、45nmで極小・低電圧のSRAMセルや混載DRAMアプリケーションにも最適な、メタルゲート製作プロセスを発表する。相補的なn型とp型のゲート電極間のクリティカルな界面の形成を厳しく制御することで実現した方法を発表する予定。同プロセスでは低ゲート抵抗と低電圧動作を実現し、0.446μm2のSRAMセルが0.8Vで動作することが実証されている。

 n型とp型のデバイスにとって、それぞれに調整された仕事関数を持つメタル材料が好ましい。問題なのはメタルがエッチングしにくいことであり、テーパーやCD、LWR(Linewidth Roughness)のようなメタルゲートのプロファイル制御が困難になることだ。これらの問題は、デバイスの正常動作に不可欠なしきい値電圧(Vt)の制御を困難にする。半導体MIRAIプロジェクトと半導体先端テクノロジーズ(Select)の研究者らは、1つの一般的なTiNメタルゲートを採用するもののn型とp型のデバイスに異なるHigh-k絶縁膜を使用することで相補型MISFETを積極的に微細化し、これらの問題を回避した()。彼らはn型にはHfMgOを用いて電子の移動度を向上させ、電荷トラップ(PBTI)を減少させた。また、p型にはHfAlOを用いてVtを低下させた。


図 MIRAIとSELETEの単層メタル、デュアルゲート相補型MISFETのコンセプトでは、MgOとAl2O3を含むHfO2ベースのHigh-k膜上に単層TiNゲートをおくのが特徴


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