本 研 究 で は 、 次 世 代 CMOS デ バ イ ス の 候 補 材 料 と し て 期 待 さ れ る メ タ ル S/ D 型 Ge p -お よ び n -M OSFET に 於 い て 、 重 要 課 題 で あ る MOS 構 造 の 高 品 質 化 と S/ D 寄 生 抵 抗 の 低 減 に 取 り 組 ん だ 。 本 研 究 で 得 ら れ た 結 果 を 以 下 に 纏 め る 。
第 1 章 で は 、 ス ケ ー リ ン グ と ポ ス ト ス ケ ー リ ン グ 技 術 に つ い て 述 べ た 。 そ の 中 で 、 本 研 究 で 取 り 組 ん だ チ ャ ネ ル エ ン ジ ニ ア リ ン グ 、 ゲ ー ト ス タ ッ ク エ ン ジ ニ ア リ ン グ 、 お よ び S/ D エ ン ジ ニ ア リ ン グ の 重 要 性 に つ い て 説 明 し た 。 ま た 、 中 島 研 究 室 で の 過 去 の 研 究 成 果 を 述 べ 、 本 研 究 を 遂 行 す る に 当 た り 著 者 が 取 り 組 む べ き 課 題 を 示 し た 。
第 2 章 で は 、EOT の 低 減 と MOS 構 造 の 高 品 質 化 の 両 立 を 目 指 し 、 低 い 界 面 準 位 密 度（Di t）を 有 す る Al2O3/ GeOX/ Ge ゲ ー ト ス タ ッ ク に 対 し て 、Al 堆 積 後 熱 処 理（Al -PM A: Al -po st met al l i zat i on anneal ing）効 果 を 明 ら か に し た 。Al -PM A を 施 し た Si O2/ Al2O3/ Ge OX/ Ge 構 造 の MOSC AP の 電 気 的 特 性 は 、Si O2/ GeO2/ Ge 構 造 の MOSCAP と 同 様 な Al -PMA 効 果 を 示 す 。 即 ち 、PMA 温 度 の 上 昇 に 伴 い 、 フ ラ ッ ト バ ン ド 電 圧 （VF B） の 正 方 向 シ フ ト 、 ヒ ス テ リ シ ス （HT） の 減 少 お よ び Di t と ボ ー ダ ー ト ラ ッ プ 密 度 （Db t） の 低 減 、 が な さ れ る 。 特 に Di t は 1×101 1c m- 2eV- 1と 極 め て 低 く 、Al2O3/ Ge OX/ Ge 構 造 に 於 い て も A l -PM A が 有 効 で あ る こ と を 示 し た 。 次 に 、HfGe/ Ge コ ン タ ク ト を S/ D と し 、MOSCAP で 確 立 し た MOS 構 造 を ゲ ー ト ス タ ッ ク と し た メ タ ル S/ D 型 Ge p-MO SFET を 作 製 し た 。 本 来 、 メ タ ル S/ D 型 Ge MOSFET の ゲ ー ト ス タ ッ ク 膜 厚 は 、S/ D 金 属 よ り も 厚 く し な け れ ば な ら な い が 、段 差 被 覆 性 の 良 い ALD -Al2O3を 用 い る こ と で 、ゲ ー ト ス タ ッ ク の 膜 厚 が 低 減 で き る こ と を 示 し た 。 し か し 、S/ D 側 壁 上 で Al / Al2O3
の 直 接 接 触 が 生 じ 、こ の 界 面 層 が Al -PMAに よ っ て 反 応 し た こ と で ゲ ー ト と S/ D 間 の 絶 縁 耐 圧 が 大 幅 に 劣 化 し 、 ト ラ ン ジ ス タ 動 作 を 得 る こ と が で き な か っ た 。
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こ の 問 題 の 解 決 の た め に 、S/ D の 埋 め 込 み 構 造 お よ び 側 壁 へ の Si O2堆 積 法 を 提 案 し た 。 一 方 、Al -P MA を 施 さ な か っ た デ バ イ ス で は 、 典 型 的 な ト ラ ン ジ ス タ 動 作 が 得 ら れ た 。ま た 、電 界 効 果 移 動 度（μh）が チ ャ ネ ル 長 （L）の 減 少 に 伴 い 低 下 す る こ と を 見 出 し 、HfGe/ Ge コ ン タ ク ト で S/ D を 作 製 し た 場 合 、 寄 生 抵 抗
（RP） が 高 い と の 課 題 を 抽 出 し た 。
第 3 章 で は 、 低 い RPの 実 現 を 目 指 し 、Pt Ge/ Ge コ ン タ ク ト と そ の 後 の パ ッ シ ベ ー シ ョ ン 法 の 検 討 を 行 っ た 。Pt Ge/ Ge コ ン タ ク ト は 、HfGe/ Ge コ ン タ ク ト を 超 え る~0.64 eV の 電 子 障 壁 高 さ（ΦB N）お よ び 1.02 の 理 想 係 数（n）を 持 つ こ と を 示 し た 。 次 に 、 数 種 類 の パ ッ シ ベ ー シ ョ ン 法 を 用 い て Pt Ge/ Ge コ ン タ ク ト 上 に 保 護 膜 を 形 成 し 、 そ の 電 気 的 特 性 に つ い て 調 べ た 。 結 果 と し て 、2 層 パ ッ シ ベ ー シ ョ ン （BLP） 法 に よ る Si O2/ GeO2 パ ッ シ ベ ー シ ョ ン が 最 適 で あ る こ と を 示 し 、Pt Ge/ Ge コ ン タ ク ト の 作 製 プ ロ セ ス を 確 立 さ せ た 。 確 立 し た Pt Ge/ Ge コ ン タ ク ト プ ロ セ ス を 用 い て 、Pt Ge -S/ D 型 Ge p -MOSFET を 作 製 し 、 ト ラ ン ジ ス タ 動 作 を 実 証 し た 。HfGe -S/ D の 場 合 は RPが~300 Ω で あ る こ と 、Pt Ge -S/ D で は
~50 Ω で あ る こ と を 定 量 的 に 示 し た 。 こ れ に よ り 、RPの 1/ 6 低 減 に 成 功 し た 。 こ れ ら の 結 果 を 通 し て 、Pt Ge/ Ge コ ン タ ク ト の 有 用 性 を 示 し た 。
第 4 章 で は 、Al -PMA 効 果 に よ る μh 向 上 の メ カ ニ ズ ム の 解 明 を 目 指 し た 。 300 -400°C の 範 囲 で Al -PMA を 施 し た Al / Si O2/ GeO2/ Ge 構 造 の MOSCAP を 作 製 し 、 そ の 電 気 的 特 性 が 過 去 の 報 告 と 一 致 す る こ と を 確 か め た 。 ま た 、 絶 縁 膜 中 の 電 荷 を 3 種 類 に 分 離 す る こ と で 、VF B シ フ ト の 原 因 が 、 ダ イ ポ ー ル の 消 失 、 界 面 準 位 の 低 減 、GeO2膜 中 の 酸 素 欠 損 欠 陥 の 終 端 化 、お よ び 負 に 帯 電 し た 原 子 の 増 加 、 で あ る こ と を 明 ら か に し 、Al -P MA が MOSCAP の 電 気 特 性 に 及 ぼ す 影 響 を 明 確 化 し た 。 次 に 、TOF -S IMS と X P S 分 析 に よ り 、Al -P MA に よ っ て Al 原 子 が ゲ ー ト ス タ ッ ク 中 へ 導 入 さ れ る こ と 、導 入 し た Al が GeO2と 反 応 し て Al OX
と な る こ と 、 こ の 反 応 が ダ イ ポ ー ル の 消 失 と 関 係 す る こ と 、 を 明 ら か に し た 。
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次 に 、 第 3 章 で 確 立 し た Pt Ge/ Ge コ ン タ ク ト を 埋 め 込 み 構 造 に し た S/ D を 用 い て p -MOSFET を 作 製 し 、Al -PMA 効 果 を 調 査 し た 。300-400 ° C の 範 囲 で Al -PMA を 施 し た 各 デ バ イ ス は 同 程 度 の 界 面 品 質 を 持 つ に も 拘 わ ら ず 、325°C の Al -PMA を 施 し た デ バ イ ス で 最 も 高 い μh（468 c m2/ V s） が 得 ら れ る こ と を 示 し た 。 し き い 値 電 圧 （VT H） の 計 算 に 於 い て 、 界 面 に 存 在 す る 電 荷 が ゼ ロ の 場 合 の 理 想 VT H
と 実 測 し た VT H の 差 か ら 、 ク ー ロ ン 散 乱 中 心 と し て 働 く 電 荷 密 度 を 算 出 し た 結 果 、325°C の Al -PM A を 施 し た デ バ イ ス が 最 も 低 い 散 乱 中 心 密 度 で あ る こ と を 定 量 的 に 示 し た 。 即 ち 、Al -PMA に よ っ て Di t と Db t が 低 減 す る と 共 に 、GeO2
中 に 存 在 す る 正 の 固 定 電 荷 が 負 の 電 荷 に よ っ て 中 性 化 し 、 散 乱 中 心 が 減 少 し た こ と に よ り μhが 向 上 す る こ と を 明 ら か に し た 。
第 5 章 で は 、 埋 め 込 み Ti N-S/ D 構 造 を n - MOSFET に 適 用 す る こ と で RPの 低 減 を 目 指 し た 。 過 去 に 報 告 し た Ti N-S/ D 型 n -MOSFET が 高 い RPを 持 つ こ と を 実 験 的 に 示 し 、そ の 原 因 が Ti N/ Ge 界 面 に 形 成 さ れ る ア モ ル フ ァ ス 界 面 層（a-IL）
の 厚 さ が 薄 い こ と に 起 因 す る こ と を 述 べ た 。埋 め 込 み S/ D 型 n -MOSFET は 典 型 的 な ト ラ ン ジ ス タ 動 作 を 示 し 、掘 り 込 ん だ S/ D の 側 壁 上 に も a-IL が 形 成 さ れ て い る こ と 、 埋 め 込 み S/ D 型 の RPは~130 Ω で あ る こ と 、 を 示 し た 。 こ れ は 、 非 埋 め 込 み （ 従 来 ）S/ D 型 の RP（~1400 Ω） を 1 桁 以 上 低 減 し た こ と を 意 味 し 、 埋 め 込 み S/ D 構 造 の 有 用 性 を 示 し た 。
以 上 、メ タ ル S/ D 型 Ge -CMOS デ バ イ ス の 実 現 に 向 け た MOS 構 造 の 高 品 質 化 お よ び S/ D の RPの 低 減 に 関 し て 、 有 意 義 な 成 果 を 得 る こ と が で き た 。Al -PMA に よ る μh の 向 上 メ カ ニ ズ ム 、 特 に 「 界 面 準 位 の 低 減 、GeO2 膜 中 の 正 の 固 定 電 荷 の 中 性 化 お よ び 負 に 帯 電 し た 原 子 の 増 加 」 は 、 導 入 す る 原 子 の 種 類 を 変 え る こ と で n -MOSF ET に も 適 用 で き る 可 能 性 が あ る 。 高 品 質 MOS 構 造 の 形 成 法 と し て 重 要 な 位 置 を 占 め る も の と 期 待 さ れ る 。