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半導体用語集

ゲート形成技術

英語表記：gate stack fabrication technology

　SiLSIにおける能動素子の最小単位であるMOSFETの基本構造作成技術。ゲートとは三端子電界効果素子の入力部であり、これが素子特性の本質を決める。MOSFETによって高速の信号伝達、信号の遮断、あるいは増幅を行い、この組み合せによって多くの複雑な論理を構成する。素子としては、小さい入力で大きな出力を高速に取り出せるものが要求される。また、長い間に特性が変化しない、いわゆる長期信頼性が確保されることが重要である。そのために、SiMOSFETでいえば次のようなことが要求される。電流が流れる部分のキャリア（電子あるいは正孔）の移動度（モビリティ）が大きく、小さい入力電圧で多くのキャリア数を制御できることが必要である。また、しかるべきゲート電圧を加えることによって、電流を完全に遮断できなくてはならない。また、その遮断電圧（しきい値電圧）自身を制御できる必要がある。信頼性を確保するためには、MOSFETの命であるゲートとチャネルを分離させている絶縁膜が、時間とともに劣化していくのを防がなくてはならない。以上の要請を満足させるために、ゲート絶縁膜、特にシリコン酸化膜に対する研究開発にはMOSの発明依頼、多くの研究者が携わってきた。現在では原子レベルの理解・制御が必要になるところまできている。従来はMOSFETのゲート形成プロセスのキーワードはモビリティとトラップであった。しかしながら、最近では、これらに加えて、リーク電流の遮断が最も重要な課題となっている。これは絶縁膜といえども、原子レベルの厚さ（1～2nm）になってくると、量子力学的トンネル効果によって絶縁性が損なわれてしまい、薄膜化に対する本質的限界が生じてくるからである。それを防ぐために、シリコン酸化膜（SiO₂）以外の絶縁膜も精力的に探索されているが、現在のところ、SiO₂と同等の信頼性を持った絶縁膜は開発されていない。また、絶縁膜の特性は、形成方法、特に形成環境、清浄度の管理、などが強く影響する部分であり、きわめて高価なクリーンルームが要求される。これらの要請を満たしつつ、MOSFETのサイズは比例縮小則に従って時代とともに小さくなり、ゲートの長さでいえば、すでにサブµmサイズから0.1µmの領域に入っており、所望の特性を持ったトランジスタを作り上げるということ自身が非常に難しくなってきている。特に、ゲート電圧を調整しても電流が洩れてしまうのを防げないことは、LSIにおける低消費電力化に反するものであり、現在のデバイス技術の最も大きな問題である。つまり、ゲートリークにしてもチャネルリークにしても、これらをいかに抑えて小さい素子を作れるかというのが最も重要な課題であり、その部分に直接的にゲート絶縁膜が関わっている。作製方法に関しても、通常のMOSキャパシタを形成後、この上からソース、ドレインを形成するための不純物を、自己整合的にイオン注入法によって打ち込むという従来法以外に、最近ではダミーのゲートを使ってソース、ドレインを先に作っておいて、後からゲート絶縁膜形成、ゲート電極形成という方法も試みられている。

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