世界最高性能のゲルマニウムトランジスターを開発

＜研究の背景と経緯＞

情報技術の進展は、シリコンを用いたトランジスターの微細化による劇的な高性能化によって成し遂げられてきたといっても過言ではありません。しかし、トランジスターの微細化はすでに５０ｎｍ（ｎｍ＝１０億分の１ｍ）以下にまで到達し、性能の向上が飽和しつつあります。一方で、性能だけではなく消費電力の削減が喫緊の問題として半導体技術に課せられてきていることも見逃せません。この原因としては、シリコンという材料に起因した部分と、トランジスターから構成されるシステムの問題とに分けて考えることができます。今回の研究開発は、特にシリコンからゲルマニウムに材料を変更することによって、性能の飽和や消費電力の削減という重要な問題を大きく改善しようというものです。

しかし、材料の変更によって従来シリコンで達成されてきた利点を失うのであれば、総合的には性能を落とすことになりかねません。また、システム設計技術を大きく変えるものになっては従来の技術資産を使えなくなってしまいます。

歴史的には世界最初のトランジスターや世界最初の集積回路もゲルマニウム上に作成されていることから、半導体としてゲルマニウムが優れた性能を持つことは、昔から認識されていました。例えばゲルマニウム単結晶におけるキャリア移動度は電子、正孔ともにシリコンよりも格段に優れています。ただし、シリコンならば容易かつ極めて安定に作成できる「ゲート絶縁膜」をゲルマニウムで作成することが大変難しかったため、これまで大規模の商用製品に使われてきませんでした。

一方シリコン集積回路技術においては、その安定な絶縁膜である二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）の薄膜化が著しく進められ、すでに絶縁性の限界に達しています。それに替わるべく高誘電率ゲート絶縁膜の研究が実用化レベルで進んでいることから、“ゲート絶縁膜には安定なシリコン酸化膜”という従来の常識から離脱することへの要請が高まっていました。

＜研究の内容＞

このような背景のもと本研究グループでは、ゲルマニウムを用いたトランジスターの移動度の高性能化と、ゲルマニウム界面の安定化を実現する指針を構築し、それを実証する研究を進めてきました。その結果、画期的な性能を持つゲルマニウムトランジスターを実証することに成功しました（図１）。

ゲルマニウムと絶縁膜の界面の安定化に関して、まず、熱力学的な考察および要素的な実験を繰り返すことによって、界面に起因した一酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ）の発生をいかに抑えるか、いかに安定化させるかという点に関する指導原理を構築しました。ＧｅＯが発生するということは界面で二酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ_２）の分解が起きることを意味し、界面を劣化させていると考えたからです（図２）。また、ゲルマニウムの酸化膜であるＧｅＯ_２膜は水に溶解しやすく、トランジスターを作成するプロセスで大きな支障になるため、表面は常にＧｅＯ_２膜以外の材料で構成できるようにすることが必要です。

具体的には、

1. １）　ゲルマニウムを酸化する際の酸素圧力を上げることで、表面におけるＧｅＯの平衡蒸気圧を低下させ、ＧｅＯの表面からの脱離を大幅に抑制しました。
2. ２）　ゲルマニウム基板上の界面で生成したＧｅＯが界面近くに残った場合に対して、低温における酸素熱処理を施すことによって、界面におけるＧｅＯの平衡蒸気圧を著しく低下させることで、残留ＧｅＯを減少させました。
   さらにゲルマニウムに比べて酸素が不足気味でも安定化物を形成する酸化物を導入することによって、圧倒的に界面のＧｅＯの削減に配慮しました。具体的には希土類金属^注３）酸化膜をＧｅＯ_２中に導入することで、これを達成しました。
3. ３）　水に対する耐性がある希土類酸化膜としてイットリウム酸化物（Ｙ_２Ｏ_３）を選択しました。

上記の材料科学的なトランジスター形成プロセス指針に加えて、ゲルマニウムの電子の有効質量の面方位依存性^注４）を考慮し、ｐ型（１１１）面ゲルマニウム基板上に絶縁ゲート型電界効果トランジスター^注５）を作成したところ、約１，５００（ｃｍ^２/Ｖｓｅｃ）という世界最高性能の電子移動度を持つゲルマニウムトランジスターの開発に成功しました（図３、４）。これはシリコンの電子移動度の約２倍にあたり、現在、しのぎを削って研究開発がなされている歪みシリコン^注６）における移動度上昇を超えるものです。また昨年、本研究グループが発表した結果をも大きく超えるものです。

＜今後の展開＞

界面の改善あるいは歪み技術の採用によって、ゲルマニウムは今回の結果以上の高性能化が可能性です。また今後、ゲルマニウムのバンドギャップ^注７）がシリコンの半分程度である性質を利用することによって、低電圧でシリコンの性能を圧倒的に凌駕（りょうが）するトランジスターを開発することが可能になります。

＜参考図＞

＜用語解説＞

注１） 移動度

トランジスターのスイッチングは半導体中を走行するキャリアによって達成されますが、その走行速度が速いほどスイッチとしての性能は高くなります。その指標の１つが移動度です。正確には、キャリアの速度とキャリアにかかっている電界との比例係数として表されます。つまり、移動度が高いということはキャリアに対して、僅かな電界で速い速度を実現できることを意味しており、高性能・低消費電力を実現するためのもっとも重要な指標になります。

注２） ゲート絶縁膜

ゲート電極と半導体基板（チャネル）を絶縁する（コンデンサの役割を持つ）電界効果型トランジスターを構成する膜。

注３） 希土類金属

周期表において、第三族のうち第４周期のスカンジウム（Ｓｃ）、第５周期属のイットリウム（Ｙ）、および第６周期のランタン系列と呼ばれるランタン（Ｌａ）からルテチウム（Ｌｕ）までの元素を希土類金属と呼ばれます。これらの元素は化学的性質が極めて似ていることが特徴です。今回の研究では、イットリウム（Ｙ）が用いられました。

注４） 有効質量の面方位依存性

シリコンとゲルマニウムでは電子に対する等エネルギー面が異なるため、電界効果トランジスター動作をする際に形成される反転層電子の有効質量に対する面方位依存性が異なってきます。シリコンにおいては従来（１００）面が使われてきましたが、ゲルマニウムでは（１１１）面の方が軽い有効質量を実現するという観点から有利になります。

注５） 絶縁ゲート型電界効果トランジスター

現在幅広く使われているＣＭＯＳ技術では、全てこの型のトランジスターが用いられており、図１の模式図はこの型のトランジスターの典型的な断面構造を示しています。

注６） 歪みシリコン

現在、最先端シリコンデバイスでは、シリコンそのものに材料的に歪みを加えることで電子構造を僅かに変調させ、キャリアの実効的な有効質量を軽くし、通常のシリコンの場合よりも高い移動度を実現しています。この技術は電子、および正孔両方に対して使われています。

注７） バンドギャップ

シリコンとゲルマニウムの半導体物性としてのもっとも大きな違いはバンドギャップです。室温において、シリコンは約１．１２ｅＶ、ゲルマニウムで約０．６７ｅＶのバンドギャップを持つことが報告されています。バンドギャップが小さいことは基本的にはそれだけ小さい電圧で素子を動作させることができることを意味し、ゲルマニウムは今後の低消費電力化に向いた素子ということができます。

＜論文名＞

“Electron Mobility in High-k Ge-MISFETs Goes Up to Higher”
（高誘電率ゲート絶縁膜を用いたＧｅ電界効果トランジスターの移動度はさらに向上）

＜お問い合わせ先＞

＜研究に関すること＞

鳥海 明（トリウミ アキラ）
東京大学 大学院工学系研究科　マテリアル工学専攻　教授
〒113-8656 東京都文京区本郷７－３－１
Tel：03-5841-7120　Fax：03-5841-7158
E-mail：

＜ＪＳＴの事業に関すること＞

長田 直樹（ナガタ ナオキ）
科学技術振興機構　イノベーション推進本部 研究領域総合運営部
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