2007
年のERM
の章は、新しくITRS
に加えられた章である（以前には2005
年、2006年のERD
の一部だっ た）。2005-2006年のスコープは、ERDをサポートする材料だったが、今のERM
はリソグラフィやフロントエンド プロセス、配線、実装とパッケージなどの応用のためのERM
についても調べている。ERM章ではまた、可能 性のある応用のための材料をサポートするため、測定・解析やモデリング、ESHの研究ニーズについても取上 げている。それらERM
が、将来のニーズに対して可能性のあるソリューションとして魅力的特性を持つ一方、将来技術としてそれらが使われるためには、今後の多くの進展が必要である。
低次元材料、例えばナノチューブ、ナノワイヤー、他のナノ微粒子や、巨大分子は、ERD、リソグラフィ、フロ ントエンドプロセス、配線、実装・パッケージ技術でソリューションをもたらす可能性がある特性を持っている。自 己組織化材料は、リソグラフィ応用や、高電荷密度キャパシタ、フロントエンドプロセスとしての選択デポジショ ン・エッチングプロセスなどへの応用可能性がある。スピン材料は主に
ERD
応用に興味が持たれる。複合酸化 物はERD
メモリやロジックデバイスの応用可能性がある。ある種の複合酸化物と強相関電子材料、それらのヘ テロ界面は、スピンと電荷の特性を使う新しいロジックデバイスへの利用可能性がある。これらの材料のチャレ ンジは、測定・解析、モデリング、ESH
の研究ニーズを含め、困難な課題のテーブルに強調されている。困難な課題（D
IFFICULT C HALLENGES
）現時点でのサブ
22nm
向けERM
の困難な技術課題を、まとめて表1
に示す。ERMの最も困難な課題は、おそらくは、技術導入の判断に影響を与えるため、時間内に、制御された所望の特性をもつ材料を、技術選択 肢として実現しておくことだろう。それら材料の選択肢は、高密度の
ERD
や、リソグラフィ、ナノスケール配線の 形成と動作、パッケージなどの選択肢として、潜在能力を示すものでなければならない。ナノスケールの応用 に向けて材料特性の制御性を向上させるため、この課題解決には、研究コミュニティ内での共同研究や共同 作業が必要となる。加速化された合成技術や測定・解析技術、モデリング技術の独創力は、狙ったターゲット 材料の性能を高め、ERM技術を実現するために必要である。改良された測定・解析法とモデリングのツールも また、これらのエマージングナノマテリアルのロバストな合成法を進化させるためのガイドとして必要である。多 くのERM
の成功は、要求された組成やモフォロジーの制御性、応用のための一連の特性、量産技術との互換 性とともに、有効なナノ構造を生み出すロバストな合成法にかかっている。高密度なデバイスや配線を実現するには、
ERM
は、厳密な位置に方向制御して取り付けられなければなら ない。またERD
や配線、パッケージ技術を発展させるための、ERM
の別のクリティカルファクターとして、埋め 込まれた界面特性のキャラクタライズやその制御能力がある。加工寸法がナノメートルスケールに近づくにつ れ、基本的な熱力学的安定性やフラクチュエーションが、ナノマテリアルの厳密な寸法分布や優れた物性制 御の加工限界を決めることになるだろう。また、研究環境の中にある新規なナノスケール材料については、ナノ 材料やナノ構造の環境、安全、健康へのインパクトを階層的に状況判定するため、測定・解析法が開発され、データが蓄積されなければならない。
Table ITWG6 Emerging Research Material Technologies Difficult Challenges
Difficult Challenges ≤ 22 nm Summary of Issues
Control of nanostructures and properties
Ability to pattern sub 20nm structures in resist or other manufacturing related patterning materials (resist, imprint, self assembled materials, etc.)
Control of surfaces and interfaces
Control of CNT properties, bandgap distribution and metallic fraction Control of stoichiometry and vacancy composition in complex metal oxides Control and identification of nanoscale phase segregation in spin materials Control of growth and heterointerface strain
Ability to predict nanocomposite properties based on a “rule of mixtures”
Data and models that enable quantitative structure-property correlations and a robust nanomaterials-by-design capability
Control of interface properties (e.g., electromigration)
Control of self assembly of nanostructures
Placement of nanostructures, such as CNTs, nanowires, or quantum dots, in precise locations for devices, interconnects, and other electronically useful components
Control of line width of self-assembled patterning materials Control of registration and defects in self-assembled materials
Characterization of nanostructure-property correlations
Correlation of the interface structure, electronic and spin properties at interfaces with low-dimensional materials
Characterization of low atomic weight structures and defects (e.g., carbon nanotubes, graphitic structures, etc.)
Characterization of spin concentration in materials
Characterization of vacancy concentration and its effect on the properties of complex oxides 3D molecular and nanomaterial structure property correlation
Characterization of properties of embedded interfaces and matrices
Characterization of the electrical contacts of embedded molecule(s)
Characterization of the roles of vacancies and hydrogen at the interface of complex oxides and the relation to properties
Characterization of transport of spin polarized electrons across interfaces Characterization of the structure and electrical interface states in complex oxides
Compatibility with CMOS processing
Integration for device extensibility
Material compatibility and process temperature compatibility
Fundamental thermodynamic stability and fluctuations of materials and structures
Geometry, conformation, and interface roughness in molecular and self-assembled structures Device structure-related properties, such as ferromagnetic spin and defects
Dopant location and device variability
表６のリストにあげられた困難な技術課題は、この章で取上げている
ERM
の進展を制限することになるだろ う。十分な測定・解析技術の発達は、異なるデバイス構造や応用環境のもとでの、材料最適化や性能予測解 析を可能にするのに必要になる。それゆえ、材料合成とキャラクタリゼーション、モデリングに関するコミュニティ間の共同研究の重要性は、何度言っても言い過ぎることは決してないだろう。材料の進歩には、合成条件、
得られた組成やナノ構造、それらの材料の機能的特性への影響などの間にある、相互の関係を理解する必要 がある。そこで、測定・解析法は、組成と構造、機能的特性間の関係を証明するのに十分な位に定量的でなけ ればならない。さらに言えば、それはモデルの効果の確認を可能にし、要求される材料特性のデザインや最 適化を加速する助けにならなければならない。ERMのモデルや可能性のある応用の開発加速するための知 識ベースを確立する際、妥当なモデルへのニーズは、実験研究者と理論研究者の間の強い連携を必要とす る。
フロントエンドプロセス 新規事項
等価スケーリングによる継続的な性能改善が「材料律速デバイス・スケーリング」としてフロント・エンド・プロセ スに記述されている。伝統的なトランジスタと、キャパシターの構成材料であるシリコンやシリコン酸化膜および ポリシリコンは根本的な材料的限界に突き当たり、継続的なスケーリングには新材料の導入が必要となってい る。さらに、ノンプレーナ・マルチゲート・デバイスのようなデバイス構造を実現する新しい手法が、今後の性能 スケーリングには必要であると考えられる。
材料律速のデバイス・スケーリングは、シリコン・ウェーハ基板に始まり、基本的なプレーナ型
CMOS
作製ブ ロックやメモリ記憶素子構造を含む、殆ど全てのフロントエンド材料やユニットプロセスに新たな要求を突き付 けている。さらに、プレーナ型バルクCMOS
の終焉は、この数年以内に起こりつつある。その影響で、私たち は、従来型とは異なるMOSFETs
や、その代替手段としてプレーナ完全空乏型SOI(FDSOI)デバイスや平面内
に配置された縦型のダブルゲート又はマルチゲート型デバイスのどちらかを使用するCMOS
技術の出現に準 備しておくべきである。従来型とは異なるMOSFET
デバイスが製造開始されるのは、FDSOIが2010
年、マル チゲートは2011
年と推測される。これらの様々な新材料と構造のインテグレーションに関する挑戦は、``FEPdifficult challenges''の主要なテーマである。
シリコン酸窒化膜ゲート絶縁材料の延命と歪み印加による高移動度チャネルの導入により、high-k が必要と なる時期が遅れていた。しかしいよいよ、主要メーカーが
high-k
ゲート絶縁膜の製造を2008
年に開始すると推 測されている。移動度向上と(
短チャネル効果を抑制するために接合深さの過度なスケーリングを必要とする)
チャネル長スケーリングは、デバイス性能を向上し続けると考えられる。適切な仕事関数を持つデュアル・メタ ルゲートは、現在のCMOS
技術の主要構成要素であるデュアル・ポリシリコン・ゲートに替わり、2008
年に主要 メーカーによって生産が開始されると推測されている。また、新材料の導入は、ドーピングやシリコンの活性化に使用してきた手法に対して新たな挑戦を課すと予 想される。スケーリングによる極浅高活性接合を形成するための必要性に加えて、殆どの
high-k
材料で考慮し なければならない耐熱性の制限により、ドーパント活性化の熱負荷について新しい領域が必要となると推測さ れる。最悪な場合のシナリオとして、これらの材料の導入は、全てのCMOS
プロセス設計に重大な影響を与え る可能性がある。メモリ領域では、high-k 材料は現在、スタック及びトレンチ
DRAM
キャパシターの両方で使用されている。DRAM
のスタック・キャパシターでは現在、金属-絶縁体-金属(MIM)構造が使用されており、トレンチ・キャパシ ターも2010
年までにはMIM
構造へ移行すると推測される。次にフローティング・ゲート・フラッシュメモリーに おいて、high-k材料は、インターポリ絶縁膜として2010
年までに、トンネル絶縁膜として2013
年までに必要に なると予想される。次にFeRAM
に関して、強誘電体と強磁性体からなる記憶材料が用いられた重要な製品が 出荷されると考えられる。主な製造工程へのこれらの様々な材料の導入は、重要な``Difficult challenge''
である と見受けられる。さらに、相変化メモリ(PCM)
デバイスが2010
年までに商業出荷されると予想される。スターティング・ウェーハの領域では、silicon-on-insulator 基板の様なバルク・シリコンの代替材料の必要性 が激増すると予想される。さらに、主には
IC
製造プロセスへの付加価値のある改善を通して達成され続けるか もしれないが、歪みシリコン技術の様々な形態が導入される可能性がある。また、Roadmap の展望に現れると 予想される主な``Difficult challenge''は、次世代450 mm
シリコン基板の潜在的必要性である。歴史的な大口径 化サイクルを基にすると、2012年のデバイス生産開始に対して次世代450mm
シリコン基板を間に合わせるの に必要なペースから業界は数年遅れている。フロント・エンドの洗浄工程は、high-k 材料やメタル・ゲート電極、移動度向上チャネル材料の様な新しいフ ロント・エンド材料の導入により、影響を受け続けると考えられる。微細化されたデバイスはますます浅い領域 に形成されるため、基板材料除去や形状制御処理について、洗浄を完全に優しい工程にする必要があると予 想される。また、スケーリングされた新しいデバイス構造体は剛性がますます低くなり、使用される可能性のあ る洗浄工程の物理的な積極性を制限すると予想される。また、キラーとなる欠陥密度の評価と歩留まり予測実