次世代MOSFETゲート用高誘電率材料の系統的探索と物性制御

2000 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 12450121
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 徳光 永輔 東京工業大学, 精密工学研究所, 助教授 (10197882)
• 研究分担者: 大見 俊一郎 東京工業大学, 精密工学研究所, 助手 (30282859)
• キーワード: 高誘電率材料 / ゲート絶縁膜 / MOSFET / ゾルゲル法 / 分子線蒸着法 / ZrO_2 / SrZrO_3

研究概要

本研究では、SiO_2換算膜厚<2nmとなる次世代MOSFET用のゲート絶縁膜を高誘電率材料を利用して実現することを目的としている。初年度は、基礎的な知見を得るための調査と実験を中心に行った。まず、さまざまな高誘電率材料の報告例の文献調査を行い、さらに理論的なバンド不連続量の予測から、Zr系の酸化物に着目し、簡便な手法であるゾルゲル法を用いてZrO_2およびSrZrO_3を作製した。はじめにPt基板上にZrO_2、SrZrO_3を作製したところ、700℃でアニールした試料の比誘電率は、ZrO_2で23程度、SrZrO_3で30程度となり、SrZrO_3の方が若干ではあるが大きな比誘電率が得られた。さらに、1Vにおけるリーク電流密度はZrO_2で10^<-5>A/cm^2、SrZrO_3で10^<-7>A/cm^2と良好な値が得られた。また、バンドギャップを光学的に評価し、ZrO_2、SrZrO_3ともに5.3〜5.5eVという値が得られた。次に、ゲート絶縁膜への応用を目指して、Si基板上にZrO_2膜をゾルゲル法で作製した。実膜厚30nmのZrO_2膜において、実効的な比誘電率が18、SiO_2換算膜厚(EOT)が6.5nmが得られた。透過型電子顕微鏡により、試料の断面を観測したところ、ZrO_2とSi基板との界面に、2.5nm程度のSiO_2が形成されていることが明らかとなった。薄膜化のためには、この界面層の形成を抑制する必要がある。以上のような基礎実験の結果を踏まえ、さらなる薄膜化を目指して、超高真空中での分子線蒸着法による成膜を開始している。現在、分子線蒸着法により物理的膜厚が5nm以下のZrO_2薄膜の形成を試みている。

研究成果

• [文献書誌] E.Tokumitsu,D.Takahashi and H.Ishiwara: "Characterization of Metal-Ferroelectic-(Metal-)Insulator-Semiconductor(MF(M)IS)Structures Using(Pb,La)(Zr,Ti)O_3 and Y_2O_3Films"Jpn.J.Appl.Phys.. Vol.39 Part1,No.9B. 5456-5459 (2000)
• [文献書誌] S.M.Yoon,E.Tokumitsu and H.Ishiwara: "Ferroelectric Neuron Integrated Circuits using SrBi_2Ta_2O_9-Gate FET's and CMOS Schmitt-Trigger Oscillators"IEEE Transactions on Electron Devices. Vol.47 No.8. 1630-1635 (2000)
• [文献書誌] E.Tokumitsu,G.Fujii and H.Ishiwara: "Electrical Properties of Metal-Ferroelectric-Insulator-Semiconductor(MFIS)-and Metal-Ferroelectric-Metal-Insulator Semiconductor(MFMIS)-FETs"Jpn.J.Appl.Phys.. Vol.39 Part1,No.4B. 2125-2130 (2000)
• [文献書誌] S.Yoon,E.Tokumitsu and H.Ishiwara: "Improvement of Memory Retention Characteristics in Ferroelectric Neuron Circuits Using a Pt/SrBi_2Ta_2O_9/Pt/Ti/SiO_2/Si Structure"Jpn.J.Appl.Phys.. Vol.39 Part1,No.4B. 2119-2124 (2000)
• [文献書誌] 大島享介,徳光永輔: "ゾルゲル法によるZrO_2、SrZrO_3薄膜の作製と評価"電子情報通信学会技報. SDM2000-179. 79-84 (2000)
• [文献書誌] E.Tokumitsu,K.Okamoto and H.Ishiwara: "Low Voltage Operation of Nonvolatile Metal-Ferroelectric-Metal-Insulator-Semiconductor(MFMIS)-FETs Using Pt/SrBi2Ta2O9/Pt/SrTa2O6/SiON/Se Structures"Jpn.J.Appl.Phys.. April. (2001)