メタルゲート/高誘電率金属酸化物ゲート絶縁膜スタック構造の真空一貫原子層成長

2001 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13450129
• Research Institution: Hiroshima University
• Principal Investigator: 中島 安理 広島大学, ナノデバイス・システム研究センター, 助教授 (70304459)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 吉川 公麿 広島大学, ナノデバイス・システム研究センター, 教授 (60304458) ; 横山 新 広島大学, ナノデバイス・システム研究センター, 教授 (80144880)
• Keywords: メタルゲート / 高誘電率金属酸化物 / ゲート絶縁膜 / スタック構造 / 原始層成長 / 真空一貫 / ジルコニア / ハフニア

Research Abstract

平成13年度は、(1)高誘電率金属酸化物ゲート絶縁膜とでスタックゲート絶縁膜構造を形成する場合に必要となる極薄原子層成長(ALD)Si窒化膜の膜質向上及び(2)原子層成長により高誘電率金属酸化物ゲート絶縁膜を形成する事の2つを行った。以下、それぞれについて説明する。
(1)ホットウォール型ALD炉において作製したスタックゲート絶縁膜用Si窒化膜の膜質向上を、Si窒化膜をALD後にアンモニアによるアニールを行う事により実現した。
(2)高誘電率絶縁膜としてZrO_2(ジルコニア)(k=20〜25)を選択した。今回、Zr[t-O(C_4H_9)_4](ZTB)を原料ガスとし、H_2Oと交互照射することにより、ZrO_2のALDを行った。ZTBは、ZrCl_4や他のアルコキシドに比べて蒸気圧が高く、また反応性が弱く、より均一な膜の形成が可能であると考えられる。ZTBは、室温で液化ガスであるため、ガスボンベ及び配管をヒーターにより75℃に加熱して、約1kPaの蒸気圧を得た。基板温度は150℃から300℃に固定した。ZTBは、炉内圧力0.04kPaで1分間供給し、炉内の真空引きを挟んで、H_2Oを炉内圧力0.13〜0.70kPaで1分間供給した。その結果、基板温度200℃、ZTB炉内圧力0.04kPa、H_2O炉内圧力0.70kPaの堆積条件の場合に、サイクル数に比例して膜厚が増加していることが判り、原子層成長している事を確認した。同条件で作製した試料のX線光電子分光測定の結果Zr3d_<5/2>ピークが観測され、ZrO_2に帰属される成分が主体の膜であることが判った。

Research Products

• [Publications] Anri Nakajima: "Low-temperature formation of silicon nitride gate dielectrics by atomic-Layer depositon"Appl. Phys. Lett.. 79. 665-667 (2001)
• [Publications] Anri Nakajima: "Characterization of atomic-layer-deposited silicon nitride/SiO_2 staked gate dielectrics for highly reliable p-metal-oxide-semiconductor field-effect transistors"J. Vac. Sci. & Technol. B. 19. 1138-1143 (2001)
• [Publications] Q.D.M.Khosru: "Soft breakdown suppressed ultra-thin atomic-layer-deposited Silicon Nitride/SiO_2 stack gate dielectrics for advanced domplementary metal-oside-semiconductor technology"Appl. Phys. Lett.. 79. 3488-3490 (2001)
• [Publications] Anri Nakajima: "Soft breakdown free atomic-layer-deposited silicon nitride/SiO_2 stack gate dielectrics"Technical Digest of the 2001 IEEE International Electron Devices Meeting. 133-136 (2001)
• [Publications] Q.D.M.Khosru: "Ultrathin NH_3 annealed atomic layer deposited Si-nitride/SiO_2 stack gate dielectrics with high reliability"2001 International Semiconductor Device Research Symposium. 26-29 (2001)
• [Publications] Anri Nakajima: "NH_3-annealed atomic-layer-deposited silicon nitride as a high-k gate dielectric with high reliability"Appl. Phys. Lett.. 80. 1252-1254 (2002)