第13回 NAIST産学連携フォーラム

2006年9月28日

新材料とナノ構造制御

奈良先端科学技術大学院大学
物質創成科学研究科 内山 潔

半導体の世界は日進月歩(ドッグイヤー？）
半導体の世界は日進月歩(ドッグイヤー？）
１０年ではなく1.5年で一昔!!
マイクロプロセッサ（インテル）の変遷
年

集積度
（個）

クロック
(MHz)

プロセス
（μm)

型番

1971

2300

0.108

104004

1972

3500

0.2

1080081974

6000

268080

1978

29000

10380861982

13400012.5

1.580286

1985

27500033

1Intel386

1989

120000050

1Intel486

1993

3100000

66

0.8

Pentium

1995

5500000

2000.35

PentiumPRO

1997

7500000450

0.35

Pentium2

1999

9500000500

0.25

Pentium3

2000

42000000

1400

0.13

Pentium42005

↑？

3800

0.09

↑

Intel JapanのHPより引用ブレークスルーを実現するためにはブレークスルーを実現するためには
１．微細化、ナノ構造化
小さいことはいいことだ!! →スケーリング則

２．新材料
元素は92しかないが 組合せは無限

３．表面/界面の利用
表面は本体（バルク）と違う

４．複合化
異種材料をナノサイズで組合わせると →５．温故知新
昔のアイデアを最新の技術で

人工格子
量子効果

微細化ｰスケーリング則
微細化ｰスケーリング則
集積化により高性能化（高速動作、低消費電力etc）が実現
P = fC LVDD例）消費電力
遮断周波数

C L ≈ CG = LWCOX

2W
afT = μVD 2πL

2

空乏層

スケール後

k2

FET数/面積
1/k

W

1/k

チャネル

スケール後

寸 法
LL

電 流
ﾄﾞﾚｲﾝ電流ID

電 圧

1/k

消費電力

VGS, VDD

1/k

FETあたり1/k2

VTH

1ゲートあたり1/k3 ( 1/k2)*

単位面積あたり1/k (1)*

チップあたりk (k2)*

物理定数μ1

KSiO2

1Coxk

表：黒木 幸令著「学びやすい集積回路工学」（昭晃堂）より

遅 延
ゲートあたり1/k*はクロックがk倍になったとき

新材料導入ｰCu配線ｰ
新材料導入ｰCu配線ｰ
ダマシンプロセス
土台となるSi酸化物をエッチングする

Cuを埋め込む（スパッタ、メッキ）
CMP (ChemicalMechanical Polishing)で平坦化する
8層メタル構造
配線抵抗の低減には多層膜化（線幅に余裕）も有効

新材料導入ｰゲート酸化膜ｰ
新材料導入ｰゲート酸化膜ｰ
現在

昔
SiO2~1nm

100nm

5μm

70-90m限界!!

ゲートからのリーク電流発生

Butリーク回避のため酸化膜を厚くすると、、、

CG = ε 0ε r

Sd

よりCGが低下→ gm低下

対策：高誘電率＆高絶縁性の材料を使う
SiO23～4ZrO2
ただし酸化物とSi界面にHfO2
SiO2酸化膜が形成
15～30
La2O3→界面が凸凹
Al2O3 ～10｝

EOT（Effective Oxide Thickness)
SiO2の膜厚に換算した酸化物の膜厚を言う

ZrSixOy
HfSixOyLaSixOｙ｝

10～20ナノテクノロジー＆複合化
ナノテクノロジー＆複合化
Fin Gate FETW

MIRAIﾌﾟﾛｼﾞｪｸﾄ
微細化によりキャリアが低電圧で飽和→ID抑制効果→Wを大きくしてgmを確保
gm=WvsatCox

SOI上に作製されたMOSFET
歪みSi→p型の特性向上（CMOS性能：数10%up）

SOI→寄生容量低下＆ﾄﾞﾚｲﾝ-基板間のリーク抑制
引用：MIRAIﾌﾟﾛｼﾞｪｸﾄHP http://www.miraipj.jp

黒木著「学びやすい集積回路工学」

微細化＆新材料
微細化＆新材料
ｰDRAMキャパシタｰ
ｰDRAMキャパシタｰ
DRAM読出しに必要な電荷量は一定（～25fC）
Al2O3
設計寸法が1/kになるとcap面積（投影）1/k2
Capの３D化＆high-k化が必須

ブレークスルー技術：酸化物ナノ薄膜
比誘電率
SiO2
Ta2O53.925Al2O3BST

9200(2004年発表）

プレート線

ワード線
ビット線

LOCOS
（SiO2）Infineon
70nmDRAM

立体化
高誘電体化

誘電体

n+n+n+n+STI(SiO2）

酸化物薄膜応用-強誘電体メモリ酸化物薄膜応用-強誘電体メモリ強誘電体とは？
分極-+ - + - + -+-+ - + - + -+- - + - + - + - ++P- - + - + - + - ++-+ - + - + -+-+ - + - + -+

Pb2+

“0”

O2“1”

電圧

Ti4+, Zr4+

E
自発分極の存在とその外部電圧による反転

印加電圧に対し、分極の変化がヒステリシス特性を示す

印加電圧ゼロで、２つの安定した分極状態を取り得る。

ペロブスカイト型酸化物強誘電体
Pb(Zr,Ti)O3
Plate line

Word line
Bit line

この２つの分極状態をディジタル情報の“1”と“0”に対応させることで、不揮発性メモリが実現できる。

FeRAM

不揮発性
低消費電力
高速動作

n+

Ferroelectricthin filmn+Substrate

成膜方法のコスト低減のために成膜方法のコスト低減のためにｰスプレーMOCVD法ｰスプレーMOCVD法スプレーMOCVD法
ノズル

スプレーMOCVD法の特徴

大気下

ミスト

基板
ガスヒーター

真空装置不要!!

・ 真空装置が不要（低い生産コスト）？
・ 比較的低い堆積温度 (100-500oC)？
・ 高品質薄膜作製が可能？
・ 大面積均一性に優れる？
・ 高い堆積レート？
etc.

アトマイザー
クラス1000クリーンルームドラフト内

スプレーMOCVD法の特徴• 安価な香水用アトマイザーを用いた簡便な装置構成• 原料間欠噴霧の導入
アトマイザー サセプター & ホットプレート

スプレーMOCVD法-段差被覆性（PZT)
スプレーMOCVD法-段差被覆性（PZT)
基板温度450oC

0.6 µm

アスペクト比：２dmax

PZT

1.2 µmdmin

SiO2Si0.5 µm

段差被覆率（%）=dmim/dmax х100
トレンチ構造Si基板上で良好な段差被覆性を実現
段差被覆率：約75%を達成
大容量FeRAM生産への適用可ス
スピ
ピンン ・・ オオン
ン法法 （（ CC SS DD 法法 ））in air

原料塗布

原料溶液
Substrate

原料溶液を塗布→焼成して成膜
・ｿﾞﾙ-ｹﾞﾙ溶液
アルコキシドを部分加水分解＆重合したもの。
ROM+H2O→２ROH+２MO
・MOD溶液金属有機物を有機溶媒に溶かしたもの

長所・Low Cost（ただし成膜時間長）
・成膜安定性、面内均一性良短所
・段差被覆性はNG・結晶成長制御は難しい焼成ヒーター

O2

PLZTの高品位成膜に成功

α-Al2O3(024)

PLZT(200)/(002)

α-Al2O3(012)
3040502theta (deg)60

Solution: 25 wt%

PLZT (110)/(101) peak Intensity(count×105)20

PLZT(100)/(001)

Intensity (arb. unit)

Solution: 9 wt%

PLZT(110)/(101)PLZTの成膜条件依存性（スピン・オン法）
PLZTの成膜条件依存性（スピン・オン法）
1.4
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
05

10152020

α-Al2O3(024)α-Al2O3(012)

Intensity (arb. unit)

Concentration (wt%)

3040502theta (deg)α-Al2O3（R面）基板上
前駆体溶液の濃度60

結晶配向性に大きく影響

25原料へのメタノール添加効果
原料へのメタノール添加効果

CuKa

200000150000100000

PLZT110/101

250000Sub. Sapphire

ノーマルプロセス

Sub .Sapphire

メタノール添加により結晶性がさらに向上

50000
0203040504050

150000100000Sub .Sapphire

200000

PLZT110/101

250000

Sapphire Sub.

メタノール添加6050000
0Solution : 9wt%
Depo:6times : 500nm

100nm

203060PLZT 221

PLZT 101/110

ノーマルプロセス

PLZT 101/110

PLZT 221

PLZT 200/002

PLZT 101/110
PLZT 111

PLZT 100/001

成膜したPLZTの結晶性成膜したPLZTの結晶性
メタノール塗布

メタノール添加エピタキシャル成長
PLZT薄膜の形成に成功（サファイアR面上）

電気光学効果
電気光学効果[⊿n(Pb)-⊿n (Pa) ]×10-3

バルク並（従来の10倍）の電気光学効果を実現→集積化光デバイスの実現に前進
1212[⊿n(Pb)-⊿n (Pa) ]×10-3

ノーマルプロセス

10

メタノール塗布

10

メタノール添加86864
200.92 0.94 0.96 0.98 1.00 1.02 1.04

FWHM : PLZT101/1104結晶性向上で電気光学効果向上

2.

･メタノール塗布
rc=8.48×10-10m/V

0･ メタノール添加
rc=6.68×10-10m/V

01000

2000

Electric Field (103V/m)

3000･ ノーマル rc=5.96×10-10m/V