白金の触媒作用を用いるMOSデバイスゲート酸化膜の絶縁耐圧性の向上

2001 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 12450127
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 小林 光 大阪大学, 産業科学研究所, 教授 (90195800)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 米田 健司 松下電器産業, プロセス開発センター, 主任研究員 ; 毎田 修 大阪大学, 産業科学研究所, 助手 ; 高橋 昌男 大阪大学, 産業科学研究所, 助教授 (00188054)
• Keywords: 白金処理 / リーク電流 / MOS / シリコン / SiO_2 / 化学酸化 / 低温プロセス / Si / SiO_2界面

Research Abstract

LSIの集積度の増加に伴い、2nm以下の極薄絶縁膜の重要性が益している。本研究では、極薄絶縁膜の電気特性の向上、特に集積度の増加に最も重要なリーク電流密度の低減を目的として、(1)白金処理、(2)化学酸化法を検討した。硝酸にSiを浸漬することにより1.2nmの膜厚のSiO_2膜を形成した後、白金処理を施した。白金処理では、SiO_2上に3nmの白金膜を堆積し、酸素中300℃で加熱した後、白金膜を除去しその上にアルミニウム(Al)膜を堆積してMOS構造とする。白金処理によってSi0_2膜厚は1.4nmとわずかに増加したが、リーク電流密度は1/200に減少し、熱酸化膜よりも低い値を得ることに成功した。さらに、白金処理によってSi/SiO_2、界面が平坦になることをAFMによって確認した。白金処理ではSiO_2中に電界が生じ白金の触媒作用によって生成した0^-イオンのSi/SiO_2界面への移動が促進されるが、膜厚の薄い部分では電界が大きくなりO^-イオンの移動が特に促進される結果、この部分での酸化が選択的に進行することによって、界面が平坦になると結論した。また、硝酸に浸漬することによって形成したSiO_2膜を酸素中900℃で加熱することによってもリーク電流密度が大幅に低減し、通常の熱酸化膜、さらに超平坦面を用いて形成した熱酸化膜よりも低いリーク電流密度を達成することに成功した。post-metalization annealによるリーク電流密度の減少を、(1)酸化膜密度の増加によるSi/SiO_2界面でのエネルギー障壁の増加、(2)サブオキサイドやOHの除去に伴うトラップ準位の消滅によるものと結論した。また、SiO_2膜を窒素プラズマで窒化することによって形成したシリコンオキシナイトライド膜に白金処理を施すことによって、電気特性が向上することを見出した。

Research Products

• [Publications] T.Sakurai, M.Nishiyama, Y.Nishioka, H, Kobayashi: "Electrical properties of the silicon oxide/Si structure formed with perchloric acid at 203℃"Solid State Communications. 118. 391-394 (2001)
• [Publications] T.Mizokuro, M.Tamura, T.Yuasa, O.Maida, M.Takahashi, H.Kobayashi: "Improvement of electrical oharacteristics of silicon oxyritride layers by a platinum method"Journal of Applied Physics. (発表予定). (2002)
• [Publications] Asuha, T.Yuasa, O.Maid, H.Kobayashi: "Effect of post-metallization annealing on ultrathin SiO_2 layer properties"Applied Physics Letters. (発表予定). (2002)