大阪大学産業科学研究所中島教授・長谷川助手グループと株式会社富士通研究所(代表取締役社長:藤崎道雄、本社:川崎市)は、共同で、大阪大学産業科学研究所の走査型トンネル顕微鏡(STM:Scanning Tunneling Microscopy)を使って、次世代トランジスタを直接観察できるナノテク技術を開発いたしました。

本技術を用いると、ますます微細化する次世代トランジスタの性能を決める心臓部を直接観察できるため、トランジスタ製造の初期工程で性能評価が可能になり、開発スピードアップ、製造コストの大幅削減に寄与するとともに、先行利益の獲得につながると期待されます。

半導体の微細化が進み、最先端デバイスでは、ナノメートル領域でのデバイス開発が盛んに行われています。しかし、トランジスタの性能を大きく左右する形状、不純物濃度、不純物濃度分布を高精度で測定する技術の開発は遅れています。そのため、極微トランジスタが良品であるか否かは、トランジスタを実際に動かしてみて判定するといった方法がとられていました。この方法だと、良品を製造するための、製造プロセスの改良作業に非常に時間がかかるため、製造途中でもトランジスタが設計どおりに作られているかを観察できる技術の開発が望まれていました。また、高性能トランジスタを設計するためにも、こういったデータの計測が不可欠でした。

このような観察法として、走査型容量顕微鏡(SCM:Scanning Capacitance Microscope)を用いる方法がありますが、SCMは空間分解能が10nm程度しかなく、ゲート長50nmのナノデバイスの開発には不充分でした。そこで、原理的に空間分解能が極めて高い観察方法の開発が望まれていました。

トランジスタのゲート近辺のソース・ドレイン構造を観察するため、まず、トランジスタの観察したい面を切り出し、研磨により観察面を平坦化します。次に、観察したい面に特殊な表面処理(水素終端処理)を施します。この技術を用いると、半導体中の不純物濃度分布を空間分解能1nmという極めて高い空間分解能で測定できる可能性を持っています。同時にトランジスタに含まれるゲート絶縁膜や側壁酸化膜などの絶縁物が削り取られるので、STM探針が衝突しないようになります。その後、高真空中でSTMを用いて観察します(図1)。観察する際は、最初にゲート電極付近に探針を移動させて観察します(図2)。次に、ソース、ドレインの形状とゲート電極とを高分解能で観察します(図3)。

今回開発した技術の特長は次の通りです。

なお、本技術は、米国のノートルダム大学で開催された"DEVICE RESEARCH CONFERENCE"(6月25日-27日)で発表いたしました。