次世代LSI用高誘電率ゲート絶縁膜の低温形成と機能評価

2001 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13450130
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 中島 寛 九州大学, 先端科学技術共同研究センター, 教授 (70172301)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 古川 勝彦 九州大学, 先端科学技術共同研究センター, 助教授 (40264121)
• Keywords: シリコン / 電子サイクロトロンプ共鳴ラズマ / スパッタリング / 高誘電率絶縁膜 / 酸化膜 / 窒化膜 / 積層構造

Research Abstract

本研究では、高活性なプラズマ生成が可能な電子サイクロトロン共鳴(ECR)プラズマによるSiの低温酸化・窒化およびECRプラズマからのスパッタリングによるZrO_2やHfO_2の高誘電率絶縁膜の低温堆積により、酸化膜(SiO_2:ε_s=3.7)換算で2nmのゲート絶縁膜形成の技術基盤を確立することを目的としている。
これを実現するために、本年度はプラズマ生成に必要な希ガスとして、Ar、Kr、Xeガスに微量の酸素ガスを添加し、薄膜成長時に基板バイアスを印加し、130℃の低温でSi酸化膜を形成した。酸化膜の絶縁破壊電界と絶縁破壊頻度をI-V測定により、酸化膜-Si界面準位密度と酸化膜中の固定電荷をC-V測定により調べた。その結果の概要は以下の通りである。
(1)Ar, Kr, Xeプラズマの中でKrを用いた酸化膜が最も高品質である。これはKrの準安定状態がSiの直接酸化に最適なエネルギーを与えるためと考えられる。
(2)Krの流量を一定としてO_2の流量を減少してプラズマ酸化するとSiO_2の膜質が向上する。最適流量はKr/O_2=12/0.1sccmである。
(3)Kr/O_2=12/0.1sccmを一定として基板バイスを変化させてプラズマ酸化すると、+20V以上でSiO_2の耐圧が向上し、絶縁破壊電界12MV/cmを示す。これは、熱酸化膜と同程度の耐圧を持つ酸化膜が低温で形成出来たことを意味する。
(4)界面準位低減のために、450℃、30分間のアニールが有効である。アニール後の酸化膜は、界面準位密度4×10^<10>cm^<-2>eV^<-1>,固定電荷7×10^<10>cm^<-2>を示し、高品質なプラズマ酸化膜の低温成長が実現できた。

Research Products

• [Publications] S.Matuo, M.Yamamoto, T.Sadoh, T.Tsurushima, D.Gao, K.Furukawa, H.Nakashima: "ECR Plasma Oxidation : Dependence on Energy of Argon Ion"Material Research Society Symposium Proceeding. 585. 171-176 (2001)
• [Publications] J.Wang, H.Nakashima, J.Gao, K.Iwanaga, K.Furukawa, K.Muraoka, Y.Sung: "Electrical Characteristics of p-n Junction Diodes Fabricated by Si Epitaxy at low Temperature using Sputtering-type Electron Cyclotron Resonance Plasma"Journal of Vacuum Science & Technology B. 19・2. 333-336 (2001)
• [Publications] J.Wang, H.Nakashima, J.Gao, K.Muraoka: "Electrical Properties of Low-Temperature Epitaxial Doped Si Thin Films Fabricated by using a Sputtering-type Electron Cyclotron Resonance Plasma"Journal of Physics D : Applied Physics. 34. 1025-1031 (2001)