電流検出型原子間力顕微鏡を用いたゲート絶縁膜劣化機構の解明
Project/Area Number |
05J07637
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Research Category |
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
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Allocation Type | Single-year Grants |
Section | 国内 |
Research Field |
Thin film/Surface and interfacial physical properties
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Research Institution | Nagoya University |
Principal Investigator |
世古 明義 名古屋大学, 大学院工学研究科, 特別研究員-DC2
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Project Period (FY) |
2005 – 2006
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Project Status |
Completed (Fiscal Year 2006)
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Budget Amount *help |
¥1,700,000 (Direct Cost: ¥1,700,000)
Fiscal Year 2006: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Fiscal Year 2005: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
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Keywords | シリコン酸化膜 / 高誘電率ゲート絶縁膜 / 電流検出型原子間力顕微鏡 / 絶縁膜劣化 / 漏れ電流 / 捕獲電荷 / 電荷捕獲サイト / 金属-絶縁膜-半導体接合キャパシタ / 絶縁劣化 / ストレス誘起欠陥 / 固定電荷 |
Research Abstract |
超大規模集積回路の基本構成素子であるMetal-Oxide-Semiconductor電界効果トランジスタの微細化に伴うゲート絶縁膜の薄膜化によって、ゲート絶縁膜において絶縁特性の劣化や耐久年数の減少などの信頼性の低下が問題となっている。このような極薄ゲート絶縁膜の信頼性向上を図るには、絶縁膜の劣化過程を理解し、その起源を解明することが重要である。本研究ではこのような視点から、高空間分解能にてゲート絶縁膜のリーク電流が評価可能な電流検出型原子間力顕微鏡法(Conductive Atomic Force Microscopy : C-AFM)に着目し、絶縁膜劣化現象の一つである電荷捕獲および捕獲電荷の空間分布の解明を試みた。 1.ゲートSiO_2膜において、定電流ストレス印加によって誘起された膜中捕獲電荷分布を評価した。C-AFMを用いて局所的なリーク電流の電圧依存性を評価することで、ストレス印加によってSi/SiO_2界面から1〜2nmの位置に分布中心を持つ捕獲正孔が生成されることが明らかになった。更に、C-AFM電流像中には局所的に電流密度の高い「リークスポット」が検出された。この「リークスポット」はゲート面内において局所的に高密度の正孔が捕獲された領域に起因していると考えられ、正孔捕獲の正帰還現象によって形成されたものと考えられる。これらの正孔捕獲サイトは、その膜厚方向に対する位置をもとに考察すると、ストレス印加時において通過電子がSiO_2膜のバンドギャップに相当する運動エネルギーを持つことにより形成される可能性が高いことがわかった。すなわち、F-Nトンネル後に伝導帯上を通過する電子がSi-O結合を切ることによって捕獲サイトを形成すると考えることができる。また、正孔放出時のポテンシャル変化をF-Nトンネル電流を介してC-AFM観察することにより、これらの正孔捕獲サイトはバンドギャップ内において価電子帯端から0.21〜0.57eVの非常に浅いエネルギー準位を持つことが明らかになった。 2.高誘電率(high-k)ゲート絶縁膜では膜質やエネルギーバンド構造の違いに起因して、電荷捕獲過程もSiO_2膜とは異なることが予想される。次世代high-kゲート絶縁膜として期待されているLa_2O_3-Al_2O_3複合膜に着目し、定電圧下の局所リーク電流の時間変化を観察することで、おもに急速熱処理によってSiの伝導帯近くのエネルギー準位を持つ電子捕獲サイトが形成されることが明らかとなった。これらの電子捕獲サイトは熱酸化処理により減少することから、起源として酸素空孔に起因した欠陥サイトが考えられる。一方、F-Nトンネル電流が支配的となる高電圧下においては正孔捕獲が確認された。これらの捕獲正孔は電極間の短絡によって簡単に膜外に放出される。このことは正孔捕獲サイトが電極のフェルミ準位よりも深いエネルギー準位を持つことを示している。また、正孔捕獲サイト形成時の電子の運動エネルギーはSiO_2膜の場合と比べ小さく、high-k膜の原子間結合力はSiO_2膜に比べて弱いことが示唆された。
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Report
(2 results)
Research Products
(3 results)