半導体のGAAナノシート、ソース・ドレインはなぜ結晶を育てて作るの？歪みの効果

何を、育てるのか：板の端から伸ばす結晶

前の記事では、板のあいだに、小さな壁（内側スペーサー）を入れました。そのあと、板の両端に、ソースとドレインをつくります。ソースとドレインは、板に電気が出入りする、入り口と出口です。

この、ソースとドレインは、板の、むき出しになった端の面から、結晶を「育てて」つくる方法が、一般的に使われています。これを、エピタキシャル成長（結晶の上に、結晶の層を育てる方法）といいます。板が単結晶なので、その端から育てる結晶も、単結晶になります。

発想：結晶で、板に「歪み」をかける

ここで、育てる結晶に、もう1つの役目が加わります。育てた結晶を使って、板（電気の通り道）に、押したり引っぱったりする力をかけます。この、結晶の格子が、伸び縮みした状態を、「歪み」と呼びます。半導体の性能を上げるための方法として、チャネルの歪みを調整する技術は、重要だと考えられています。

ソース・ドレインを結晶成長でつくるもう1つの理由は、板に、歪みをかけるためです。

pチャネルは、押し縮める：SiGeのソース・ドレイン

では、どうやって、歪みをかけるのでしょうか。pチャネルのトランジスタでは、ソース・ドレインに、SiGe（シリコンゲルマニウム）を育てます。SiGeは、シリコンより、結晶の格子の大きさが、大きい材料です。シリコンとゲルマニウムの格子の大きさは、約4.2％違い、SiGeの大きさは、その中間にあります。大きい格子の結晶が、シリコンの板の両端から、板を、まわりから押し縮めます。

押し縮められた板では、プラスの電気を運ぶ「正孔」が、動きやすくなる傾向があるとされています。正孔が動きやすくなれば、電気が流れやすく、トランジスタの性能が上がります。

nチャネルは、引っぱる：リンや炭素を加えたシリコン

電子を使う、nチャネルのトランジスタでは、反対に、板を引っぱる歪みが、電子を動きやすくする傾向があるとされています。そのため、ソース・ドレインに、リンや炭素を加えたシリコンを育てる方法が、考えられています。このように、pチャネルとnチャネルでは、かける歪みの向きが、逆になります。

数字で考えてみよう：移動度が2倍だと、何が変わる？

歪みの効果を、数字で考えてみます。電気の動きやすさを表す「移動度」が高いほど、同じ電界のもとで、電気を運ぶ粒（キャリア）は、速く動きます。おおまかには、移動度が2倍になれば、同じ電界のもとで、キャリアの速さも、およそ2倍になります（簡単な近似です）。

実際に、ある報告では、SiGeのチャネル（Geの割合0.35、シリコンのふた付き）の正孔の移動度が、シリコンの板のチャネルより、ほぼ100％、つまり、およそ2倍高い、と報告されています。この報告では、SiGeの板に、およそ1ギガパスカルの圧縮の力がかかっていると見積もられています。ただし、これは、ソース・ドレインではなく、チャネルそのものをSiGeにした、別の方法の結果です。

GAAで、歪みをかけにくくなった理由

ところが、GAAのナノシートでは、十分な歪みをかけることが、難しくなっています。理由は、大きく2つです。

1つ目は、トランジスタが小さくなるにつれて、歪みをかけるための結晶（ソース・ドレインのSiGe）の体積が、小さくなることです。体積が小さいと、板を押す力も、弱くなります。

2つ目は、育てた結晶に、結晶の欠陥ができたり、歪みが緩んだりして、せっかくの力が、失われることです。歪みは、弾性的な緩みや、結晶のずれ（塑性的な緩み）によって、失われます。そのため、結晶を育てる土台は、欠陥の量が、基準以下でなければならない、と考えられています。

工夫：土台の質を上げる、チャネルそのものを変える

対策の1つは、ソース・ドレインを育てる土台の、欠陥を減らして、歪みが失われないようにすることです。もう1つは、先ほどの例のように、チャネルそのもの（板）を、歪んだSiGeに置き換える方法です。この方法では、板のシリコンを細く削ったあと、チャネル解放のあとで、SiGeを選んで育てる、という手順が説明されています。

どの方法を選ぶかは、狙う性能や、製造のしやすさによって、変わります。

現場の視点：歪みを測る

歪みは、目に見えません。そのため、歪みが、本当にかかっているかを、測ることも、重要です。先ほどの報告では、電子線の回折を使う方法（PED）で、板の歪みを測り、およそ1ギガパスカルの圧縮の力を、見積もっています。こうした、歪みの計測は、半導体の「検査・計測」の仕事につながります。

歪みの効果は、トランジスタ1つ1つの、わずかな差に見えるかもしれません。しかし、チップには、何十億個ものトランジスタが並ぶため、1つ1つの動きやすさの差が、全体の速さと、消費電力に、大きく響きます。そのため、歪みの工夫は、先端の工程で、重要な位置を占めています。

ことばのおさらい

• ソース・ドレイン：板の両端にある、電気の入り口と出口です。
• エピタキシャル成長：結晶の上に、結晶の層を育てる方法です。
• 歪み：結晶の格子が、伸び縮みした状態です。
• 移動度：電気を運ぶ粒の、動きやすさです。
• 正孔：プラスの電気を運ぶ粒です。pチャネルで使われます。

よくある誤解

Q. 歪みは、かけるほど、よいのですか？

いいえ。歪みは、結晶に、欠陥ができると、失われます。また、歪みの向きは、pチャネルとnチャネルで、逆です。目的に合わせて、向きと大きさを、そろえる必要があります。

Q. ソース・ドレインは、歪みをかけるためだけに、あるのですか？

いいえ。ソースとドレインは、板に、電気が出入りする入り口と出口で、これが本来の役目です。歪みをかけることは、そこに加わった、もう1つの役目です。

Q. 以前の記事の、SiGeと、今回のSiGeは、同じ役目ですか？

いいえ。以前の記事では、SiGeは、あとで取り除く層として、板のあいだに、はさんでいました。今回のSiGeは、ソース・ドレインとして、残り、板を押し縮める役目をします。同じ材料でも、工程によって、役目が違います。

まとめ

付記：この記事の根拠

参考にした公式情報

• IBM特許 US12268020B2「Source or drain template for reducing strain loss in spaced-apart nanosheet channels」
• S. Dhar「Analytical Mobility Modeling for Strained Silicon-Based Devices」（TU Wien）2.1節
• Mochizukiほか（IBM Research）「Compressive Strained Si1-XGex Channel for High Performance Gate-All-Around Nanosheet Transistors」（242nd ECS Meeting, 2022）