ロジック半導体の性能向上の鍵となるトランジスタ材料を開発

国立研究開発法人 産業技術総合研究所（以下「産総研」という）デバイス技術研究部門 張 文馨(Chang Wen Hsin) 主任研究員、畑山 祥吾 産総研特別研究員、齊藤 雄太 研究グループ付、岡田 直也 主任研究員、入沢 寿史 研究グループ付らは、東京都立大学 宮田 耕充 准教授と共同で三テルル化二アンチモン（Sb₂Te₃）/二硫化モリブデン（MoS₂）のファンデルワールス界面の作製に成功し、n型MoS₂トランジスタ性能向上に大きく貢献する接触界面抵抗の低減（低コンタクト抵抗）技術を開発しました。

MoS₂は、2次元結晶構造を有する遷移金属ダイカルコゲナイド(TMDC)と呼ばれる材料であり、次世代トランジスタのチャネル用半導体材料として非常に注目されています。しかしながら、一般的な金属電極とMoS₂接触面の高いコンタクト抵抗がトランジスタ高性能化の妨げとなっていました。今回、MoS₂上に層状物質Sb₂Te₃を成膜することで、トランジスタのコンタクト抵抗を大幅に低減することに成功しました。また、Sb₂Te₃の高い熱安定性により、作製したMoS₂トランジスタは半導体製造工程に対して十分な耐熱性を示すことが期待できます。今回開発した技術は、MoS₂トランジスタにおけるコンタクト抵抗の課題を根本的に解決できる可能性を秘めており、次世代ロジック半導体として期待される2次元材料トランジスタの高性能化に大きく貢献します。

なお、本研究の詳細は、2023年2月10日（中央ヨーロッパ時間）にエレクトロニクスに関連した材料を取り扱う国際学術誌「Advanced Electronic Materials」に掲載されます。

先端CMOS製造技術において、電力効率や性能、面積、コスト「PPAC(Power efficiency, Performance, Area, Cost)」を改善し続けていくためには、単に大きさを小さくするだけではなく、新しい材料やデバイス構造を導入する必要があります。この技術的取り組みのなか、現行のシリコン(Si)においてはナノシート構造が提案され、2 nm世代の技術として期待が持たれています。さらにその先のBeyond 2 nm技術についても、経済産業省の半導体・デジタル産業戦略検討会議において、開発の強化が言及されています。Beyond 2 nm技術の一つとして、適度なバンドギャップを保ちつつ、化学的に安定な層状構造を有し、原子層厚においてSiよりも優れた半導体特性を示す2次元TMDC材料のトランジスタへの導入が期待されています。しかしながら、2次元材料トランジスタの実用化を実現するためには技術的に克服すべき課題が多く残されており、世界中の研究機関・企業で研究が盛んに行われてきました。

TMDCは１ nm以下の原子層領域においても高い導電性が維持できるという観点から、次世代トランジスタのチャネル材料として大きく注目されています。産総研では、国立研究開発法人科学技術振興機構 戦略的創造研究推進事業チーム型研究 (CREST) 「原子層ヘテロ構造デバイスの実証と3次元集積LSIのための原子層成膜プロセスの開発(2017～2021年度): 都立大との共同実施」プロジェクトにて高性能TMDCトランジスタの研究を実施してきました。従来のTMDCトランジスタ開発では、主にタングステン(W)、チタン(Ti)、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)、パラジウム(Pd)、金(Au)などの金属電極が用いられてきました。しかしながら、これらの金属電極とTMDCとの界面は高いコンタクト抵抗を示すために、TMDCトランジスタの駆動電流が抑制され、デバイス性能が向上しないことが知られていました。これは、金属電極/TMDC接合界面でフェルミ準位のピンニング現象(FLP)が起こり、界面の電位障壁を低減することが困難であるためです。最近、半導体メーカーや研究機関を中心に、FLPを解消するようなTMDCのコンタクト形成技術についての開発が進められています。TSMCやIntelより、ビスマス(Bi)やアンチモン(Sb)といった半金属をコンタクト材料として用いることで、コンタクト抵抗が大幅に低減することが報告されています。しかし、Biは融点が低く(約270 ℃)、熱的安定性が低いことから、400 ℃以上の耐熱性が要求される半導体製造工程への適用は困難と考えられています。そのため、次世代トランジスタの高性能化に向けて、耐熱性が高くかつTMDCとのコンタクト抵抗を低減するような電極材料の開発が求められています。

なお、本研究開発は、JST CREST、JST FORESTプロジェクトおよびJSPS科研費による支援を受けています。

本研究では、代表的なTMDCの一つであるMoS₂を用いたトランジスタを作製し、そのコンタクト材料としてSb₂Te₃に着目しました。Sb₂Te₃は、多数の原子が層状になっており、層同士はファンデルワールス力という弱い結合で結びついています。また、Sb₂Te₃は、BiやSbのように半金属に似た特性（狭バンドギャップ：0.2–0.3 eV）を示します。さらに、Sb₂Te₃の融点(約620 ℃)はBi等に比べて高いことが知られています。これらの特徴は、Sb₂Te₃が同じく層状物質であるMoS₂との間にファンデルワールス界面を形成し、FLPを抑制する可能性があることを示唆するものです。このため、Sb₂Te₃を利用することで、高い耐熱性を維持したまま低コンタクト抵抗を実現できると考えました。産総研のグループは、これまでのSb₂Te₃の長い研究で、基板や下地材料表面に平行に層状物質を形成するノウハウを蓄積してきました。そこで、今回、量産化に適したスパッタリング法を駆使して単層MoS₂上にSb₂Te₃を成膜し、Sb₂Te₃/MoS₂の接触界面にファンデルワールス界面が形成されることを透過電子顕微鏡(TEM)によって確認しました。図1にSb₂Te₃/MoS₂積層膜構造のTEM断面写真図および対応する原子配列を示します。Sb₂Te₃およびMoS₂は両方とも良好な結晶性を持つ層状構造になっていることがわかりました。Sb₂Te₃/MoS₂のTEM写真は、二つの材料の原子配列が一致していることを示しており、これらの積層膜がファンデルワールス界面を有することを確認しました。

一般的に、集積回路の配線工程では400 ℃以上の耐熱性が実用化の重要な要件となります。そこで、Sb₂Te₃/MoS₂積層膜構造の耐熱性を調べました。熱処理前後に、MoS₂単層構造を維持していることを、ラマン分光法を用いた分析により確認しました。また、断面TEM写真（図2）より、Sb₂Te₃/MoS₂積層膜構造は450 ℃の熱処理を経ても良好な結晶性とファンデルワールス界面を維持していることを明らかにしました。

Sb₂Te₃/MoS₂ファンデルワールス界面形成がトランジスタ特性にどのような影響を与えるかを調べました。図3にMoS₂トランジスタの電流電圧特性の比較を示します。n型トランジスタ動作を示しつつ、Sbや、Ni、Wをコンタクト材料として使用した場合と比べて、Sb₂Te₃電極を有するトランジスタの駆動電流は4〜30倍にも向上することがわかりました。このような大幅な駆動電流の増大はコンタクト抵抗の低減が主要因であると考え、実際にMoS₂トランジスタのコンタクト抵抗を求めた結果を図4に示します。Sb₂Te₃電極を有するトランジスタのコンタクト抵抗値は、Sb電極を使用した場合のそれと比べて1桁程度低く、また、これまでの世界最小の報告であるBi電極を使用した場合のコンタクト抵抗値とも遜色のない値であることがわかりました。SbやBi電極は半導体製造の後工程の高温に耐えないため、半導体デバイスへの使用には適しません。Sb₂Te₃電極は400 ℃以上の耐熱性を示しつつ、Bi電極に匹敵する低いコンタクト抵抗値を実現しており、これを両立したという報告は世界でも本研究が初となります。

以上のように、Sb₂Te₃/MoS₂界面において低コンタクト抵抗と半導体製造工程に必要な耐熱性が両立できる技術を開発しました。この技術は、Beyond 2 nm世代のロジック半導体の実現に寄与するものとなります。

図3 電流電圧特性の比較

図4 コンタクト抵抗の比較

今後は、n型とp型のTMDCトランジスタを直列につないだCMOSを作製することを目指します。そのためにも、n型MoS₂トランジスタだけでなく、p型TMDCトランジスタにおける低コンタクト抵抗技術の開発が求められます。今回開発したSb₂Te₃コンタクト技術は、n型MoS₂に対して最適な特性を示しましたが、p型TMDCには別のコンタクト材料が必要となります。既存のSiの性能をはるかに超えた次世代ロジック半導体の実現に向けて、低コンタクト抵抗を有するTMDCによるCMOSの開発を加速していく計画です。

掲載誌：Advanced Electronic Materials
論文タイトル：Sb₂Te₃/MoS₂ van der Waals Junctions with High Thermal Stability and Low Contact Resistance
著者：Wen Hsin Chang*, Shogo Hatayama, Yuta Saito*, Naoya Okada, Takahiko Endo, Yasumitsu Miyata, and Toshifumi Irisawa*
DOI：10.1002/aelm.202201091

ファンデルワールス界面

結合力の弱いファンデルワールス力によって結びついた層状結晶同士の界面。原子レベルで平たんな理想的界面で、化学結合が終端しているため、異種材料同士の組み合わせでも界面における欠陥を限りなく減少することができる。[参照元へ戻る]

トランジスタ

半導体結晶内の電子や正孔による電気伝導を利用して、電流の増幅などを行う素子。半導体基板上に、酸化膜を介してゲート電極を形成し、その両側にソース、ドレイン電極を形成した構造を電界効果トランジスタという。電気伝導の担い手が電子であるものをn型トランジスタ、正孔であるものをp型トランジスタという。[参照元へ戻る]

遷移金属ダイカルコゲナイド(TMDC)

遷移金属ダイカルコゲナイド(Transition Metal DiChalcogenide, TMDC)は化学式がMX₂(Mは遷移金属、Xはカルコゲン元素であるS(硫黄)、Se(セレン)、Te(テルル))と示される物質群である。X-M-Xという三原子層を構成ユニットとし、それぞれのユニットがファンデルワールス力で弱く結びついた層状の結晶構造を示すものが多い。[参照元へ戻る]

チャネル

半導体チャネルを指す。トランジスタのソース電極とドレイン電極間の電流経路であり、半導体材料(Si、Ge、TMDCなど)で構成する。[参照元へ戻る]

層状物質

共有結合やイオン結合のような強い結合により構成されている単位層が、主に弱いファンデルワールス力を介して積層した層状の結晶構造を持つ物質群。代表的な層状物質として黒鉛（グラファイト）などがある。[参照元へ戻る]

ロジック半導体

LSI用半導体素子は主に「ロジック演算用」と「メモリ用」に分類される。スマートフォンやパソコンに搭載され、電子機器の制御やデータ処理の役割を担う、演算用半導体素子。[参照元へ戻る]

CMOS

Complementary Metal-Oxide-Semiconductor  (相補型金属-酸化膜-半導体)の略。電流-電圧特性が反対の符号を示すn型トランジスタとp型トランジスタを直列につないだ素子。低消費電力で集積回路の処理を行うための最も基本的なデバイスである。[参照元へ戻る]

ナノシート

トランジスタにおいて電流のオン・オフをつかさどるチャネル構造の一種。エッチング技術により、半導体をナノメートルレベルの厚さの二次元的なシート状に加工したもの。ナノシートトランジスタは、寸法を縮小してもゲート制御性が優れており、電流駆動力が大きいといった特徴を持つ。[参照元へ戻る]

２ nm世代

世界的に定められている半導体のロードマップにおける半導体製造工程の技術世代の呼び名。22 nm世代のあたりから技術世代の呼び名と実際の半導体微細加工寸法の乖離が始まっており、2 nmの呼称も配線幅や最小加工寸法等の実際のサイズを指すものではない。[参照元へ戻る]

半導体・デジタル産業戦略検討会議

半導体・デジタル産業の競争力を高める目的で、関連の有識者や省庁が集まり、今後の政策の方向性について情報共有、意見交換を行う会議。
出典：https://www.meti.go.jp/policy/mono_info_service/joho/conference/semicon_digital.html [参照元へ戻る]

バンドギャップ

半導体の分野においては、電子が占有されている最もエネルギーが高い状態から、電子が占有されていない最も低いエネルギーの状態までのエネルギーの差を指す。代表的な半導体であるSiは、バンドギャプは1.1 eV程度である。[参照元へ戻る]

フェルミ準位のピンニング現象(FLP)

半導体において電子の占有確率が50%になるエネルギー準位（フェルミ準位）が、半導体／金属界面で決まった位置に固定(=ピンニング)されている状態。ピンは画鋲が一点で固定するように、エネルギーの値もある一定値に決まってしまうことを指している。理想的な界面においては、金属の種類を変えることでフェルミ準位の位置を変化させることが可能となる。現実の界面では、界面準位のためにフェルミ準位のピンニングが起こる。[参照元へ戻る]

半金属

物理的、化学的特性が金属と非金属の中間に位置している物質である。明確な定義はなく文脈によって意味が異なることがあるが、一般的には金属は光沢があり、電気伝導性を示し、加工すると延性や展性を示すが、非金属は、電気はあまり通さず、加工するとほとんど延性は示さないものが多い。半金属はそういった特性がおおむね中間くらいの性質を示す。本研究では、電気の伝導性という観点で、金属ほど高い伝導性を示すわけではないが、非金属ほど電気が流れない物質ではないという意味合いで用いている。[参照元へ戻る]

スパッタリング法

⾦属や酸化物、その他多くの物質の薄膜を形成するための成膜技術の⼀種。真空チャンバー内に薄膜としてつけたい材料をターゲットとして設置し、⾼電圧をかけてイオン化させたアルゴンや窒素を衝突させ、ターゲット表⾯の原⼦をはじき⾶ばすことで、基板に成膜する⽅法である。物理蒸着法(Physical Vapor Deposition, PVD)の⼀種。[参照元へ戻る]

透過電子顕微鏡(TEM)

薄膜化した試料へ加速した電子線を照射し、透過した電子線を結像する顕微鏡である。原子レベルの観察が可能である。[参照元へ戻る]

ラマン分光法

光が物質に入射して分子と相互作用すると、入射光と異なった波長をもつ光（=ラマン散乱光）が発生する。分子や結晶の種類によって散乱される光の波長が異なるため、幅広い波長で測定することで、物質に関する構造情報を調べることができる手法である。[参照元へ戻る]