東北大、高性能・サブ10nm・3次元フィン型ゲルマニウムトランジスタ作製に成功

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東北大学原子分子材料科学高等研究機構(WPI-AIMR)および流体科学研究所(IFS)の寒川誠二教授のグループは2016年12月6日、独自技術の超低損傷・中性粒子ビーム技術(加工、酸化プロセス)を用いて、「高性能サブ10nm・3次元フィン型ゲルマニウムトランジスタ」の作製に、世界で初めて成功したと発表した。台湾の国立交通大學(NCTU)、国立ナノデバイス研究所(NDL)との共同研究によるものだ。

現在半導体産業では、IoTの進展等に伴う高性能化競争の中で、MOSトランジスタの高性能化が重要となっている。しかし、回路の微細化に伴い、回路素子からのリーク電流による発熱が大きくなり、「技術世代22ナノメートル」以降の超高集積回路の実現は難しいとされていた。

この限界を破るため、チャネル材料にシリコンではなくゲルマニウムを用いた3次元フィン型MOSトランジスタの開発が進められている。しかしゲルマニウムの課題として、プラズマエッチングを用いた加工では、高密度の欠陥が形成され、また欠陥生成面のエッチングが促進されて寸法制御が困難になる。さらに、ゲルマニウム酸化物が熱的に不安定であるため、熱酸化プロセスを用いると高密度な界面準位が形成されるという課題もあった。

今回、同研究グループでは、ゲルマニウム加工に塩素中性粒子ビームを用いた。その結果、プラズマからの紫外線照射の完全抑制によりフィン型チャネル側壁への欠陥を1/100以下に抑えた「高精度無損傷異方性加工によるフィン型チャネル構造の作製」に成功。同時に、形成された3次元フィン型チャネル構造を酸素中性粒子ビームによる室温での異方性酸化を行い、フッ酸で除去するピーキングプロセスを開発、これにより「室温異方性酸化によるフィン型チャネル形状制御」と「高品質ゲルマニウム酸化膜の形成」を実現した。

これらの技術を用いてサブ10nm・3次元フィン型ゲルマニウムトランジスタ構造試作を行い、電気特性を測定したところ、世界で初めて「サブスレッショルド・スイング(SS)をN型トランジスタで70mV/dec、P型トランジスタで87mV/dec、オンオフ電流比を105以上」を同時に実現することに成功したという。今後、数十nm以下のナノデバイスでのプロセスとして実用化されていくことが期待されるとしている。

同グループでは、中性粒子ビーム技術は既に均一大面積プロセスを実現できるプラズマ源を基盤に装置が実現できるため、極めて実用的だとしている。今後、最先端ナノデバイス製造プロセスにおいて中性粒子ビーム加工技術や、中性粒子ビームを用いた表面改質・修飾技術の研究開発をさらに進め、実用的なデバイス開発を推進していく予定で、すでに大手装置メーカーと装置化への検討も進んでいるという。

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