Si(110)面金属基板SOI・Balanced-CMOS超高速高精
度集積回路
著者
大見 忠弘
Si (110)面金属基板SO l′. Balanced-Cワos
超高速高精度集積回路
(課題番号1420㌢b52)平成14年度∼平d15年度科学研究費補助金
(基盤研究/㈱ (2))
研究成果報告書
平成16年3月
研究代表者 大兄忠弘
(東北大学未来科学技術共同研究センター･教授)
'ヽ･ ■ ′ ㌧ ト 亘 ∴ : . T L l 才 . J j _ -ノ F A ′ ■ ︰ ■ ヽ ヾ . ､ '平成15年度科学研究費補助金(基盤研究(心(2))
研究成果報告書
平成16年3月
1.研究課題
si(110)面金属基板SOI ･ Balanced-CMOS超高速高精度集積回路
2.課題番号 142050523.研究組織
研究代表者:大兄忠弘(東北大学未来科学技術共同研究センター教授)
研究分担者:須川成利(東北大学大学院工学研究科教授)
研究分担者:小谷光司(東北大学大学院工学研究科助教授)
研究分担者:平山昌樹(東北大学未来科学技術共同研究センター助教授)
4.研究経費
交付決定額(配分額) (金額単位:千円)直接経費 亊I
ｨﾆ
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合計
平成14年度 ﾃC 9,120 津S# 平成15年度 "ﾃ# 3,660 Rﾃツ 総計 鼎"ﾃc 12,780 鉄Rﾃ35.研究発表(学会誌等)
(1) EbutakOu TANAm, R旺u血血WjurANABE, Hideki ISHINO, Shigeto血i SUGAWA, Akinobu TERAMOTO, Masaki HRAYu, and Tadahiro OHMも"A Technologyfor Reducing Flicker
Noisefor UI･SI Applicadons," Jpn･ J･ Appl･ Phys･, Vol･ 42, Part 1, No･4 B , pp･ 210612109, April
2003.
(2) Hiroaki TANAKA, Zhong CmANJ正,髄o fhYAKA:WA, Masaki HIMAMA, A血obu
TERAMOTO, Shigetoshi SUGAWA, and Tadahim OHMI, "High- Quality Silicon Oxide Film
Formed by Difbsion Region Plasma Enhanced ChemiCalVapor Deposition aJld Oxygen Radical
Treatment Using Micwave-Excited High-Density Plasma,''Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 42, Part 1,
No.4B , pp. 191111915, Aprn 2003.
(3) Tetsuya GOTO, Masaki H…A, Hiroshi YAMAUCにⅠ, Makoto MORIGUOII, Shigetoshi
SUGAWA･皿d Tadahiro OHMI, HA New Microwave-Excited Plasma Etching Equipmcntfor
Separa血g Plasma E血ited Region from Etchikg Process Region'', Jpn･ J･ Appl･ Phys･, Vol･ 42,
Part 1, No.4B , pp. 1887-1891, April 2003.
(4) Ichirou Tikahashi, Hiroyuki Saknrai, Atsuhiko YaJnada,Kiyoshi Fbmiwa, Kentaro Himi,
Shinichi Urabe, Tetsuya Goto, Masaki Hirayana, Akinobu Teramoto, Shigetoshi Sugawa, aJld
Tadahiro Ohmi, uOxygen radicaltreatmcnt applied to ferroelectriCthin fans,H Applied Surface
Science, Vol.216, pp. 239 245, Jtne 2003.
(5) Ichirou nもKAHASHl, Hiroyuki SAKURAl, Abuhiro YAMADA, Eiyoshi FUNAIWA, Xentaro
m, Shinichi URABE, TTetsuya GOTO, Masaki HIRAYu, Abnobtl TtiRAMOTO,
Shigetoshi SUGAWA, and Tadahiro OHMI, "Ferroelectric Sr2 (Tall, Nbx) 207with aLew Dielectric Const皿t by Plasma Physical Vapor Deposition aJld Oxygen
6.研究成果
50mm世代までスケーリングメリットが得られる唯一の集積回路構造,即ち, Si (110) 面を用いた Si3N4ゲート絶縁膜金属ゲート電極(bcc･ThrPaN)金属基板SOI ･ Balanced-CMOS集積回路およびその製造技術を世界に先駆けて確立することを目的とし ている｡ゲート絶縁膜として用いるシリコン窒化膜の高性能化に閑し､シリコン窒化膜を 形成するために必要なNH★ラジカルを生成するためのベースになるマイクロ波励起高密度 プラズマ励起ガスとして従来から用いていたArに替わり､電子温度の低く(0.5eV)イオ ン照射ダメージの全く発生しないⅩeを用いることで､シリコン窒化膜の寿命(Qbd)を3 万倍向上させることに成功した｡さらに､ 1〝ノイズを徹底的に低減し､かつチャネル移動 度を上昇させるためには､ゲート絶縁膜とSi界面を徹底的に平坦化する必要があったが､ si (110)面のゲート絶縁膜形成前の洗浄を従来のRCA洗浄から室温5工程洗浄へ変更し, 平坦化酸化プロセスを導入することで､平坦度(Ra)を0.08mmまで低減することに成功 した｡これにより､ホールの移動度が従来の(100)面基板に比べて2.5倍となり電子の移 動度(1.3倍)と略々バランスがとれるのみならず､ I/fノイズも従来のシリコン(100)面上へ製作したnMOSに比べ､ nMOS､ pMOSともに2桁近い低減を実現した｡確立した製造技
術を基に､ Si (110)面上へnMOS､ pMOSの面積を同等としたBalanced･CMOSを初め て作成しその入出力特性を評価したところ､'電源電圧の1/2の入力電圧において出力電圧も ほぼ1/2となり､理論予想通りの結果が得られた｡さらに､ 101段のCMOSリングオシュ レ一夕を作成してその発振に成功し､従来の(100)面CMOSに対する(110)面を用いる優位 性を実証した｡ このような高性能バランスドCMOSを100nm以降の超LSIの量産技術へ適用し､マイ クロ波帯高周波回路やアナログ処理回路を混載するシステムLSIを具現化するには,ばら つき､ゆらぎ､変動､雑音を徹底的に低減する新しい生産技術･製造装置を確立しなけれ ば到底不可能である｡従来の製造装置ではこの要求には対応できない｡特に現状のプラズ マ工程は､電子温度が3-4eVと高く､結果としてウェ-ハに照射されるイオンエネルギー が30eV程度と高くなってしまうため､ダメージが発生してしきい値電圧ばらつき､雑音が 増加してしまう｡本研究において､電子温度(leV以下)でダメージを全く発生させないマイ クロ波励起高密度プラズマを用いた､コンタクト抵抗を増大させないダメージフリープラ ズマエッチング技術､熱酸化膜と同等の性能を有するシリコン酸化膜のプラズマCVD技術､ 酸素ラジカル処理を用いた高品質強誘電体薄膜の形成技術を確立した｡ このように､本研究において10GH2:以上の周波数で動作するワイヤレス時代の多様なネ ットワーク情報家電向けシステムLSIの基盤技術を確立した｡以下､添付資料により詳細 を示す｡
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