| 研究課題/領域番号 |
13305005
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| 研究機関 | 名古屋大学 |
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研究代表者 |
安田 幸夫 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (60126951)
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| 研究分担者 |
池田 浩也 名古屋大学, 工学研究科, 助手 (00262882)
酒井 朗 名古屋大学, 工学研究科, 助教授 (20314031)
財満 鎭明 名古屋大学, 先端技術共同研究センター, 教授 (70158947)
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| キーワード | ゲート絶縁膜 / 高誘電率材料 / 絶縁破壊 / 走査プローブ顕微鏡 / HfO_2 / 電流検出型原子間力顕微鏡 / 透過電子顕微鏡 / 電気伝導特性 |
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| 研究概要 |
次世代ULSIデバイスにおけるゲート絶縁膜として、金属酸化物を始めとした高誘電率材料が模索されている。それらの材料が未だに実デバイスに実装されない理由の一つが、絶縁膜としての品質の問題である。すなわち、リーク電流の低減と絶縁破壊に対する信頼性評価が十分ではない。これらの原因が膜中欠陥等の原子尺度の局所的構造に起因するのに対して、従来の測定法が平均的・巨視的情報を与えるに過ぎない点が大きな問題である。
本研究では、各種の走査プローブ顕微鏡を用いてリーク電流および絶縁破壊と、膜自身やその表界面の局所的構造との直接的な関係を原子尺度で解明する。本年度は、高誘電率膜材料として期待されるHfO_2について、電流検出型原子間力顕微鏡(C-AFM)および透過電子顕微鏡(TEM)により、膜構造とリーク電流の関係を明らかにした。得られた主な結果を以下に示す。
HfO_2を分子線蒸着して作製した膜では、堆積時の基板温度により結晶構造及び局所電気特性が大きく異なることを見出した。
700℃で堆積した膜は多結晶構造を有しており、多くの領域ではその結晶粒は柱状構造を成している。しかし、結晶粒が膜厚方向に重なった構造、すなわち柱状構造を持たない領域ではコンダクタンスが高く、リークサイトとして働くことを見出した。低電界における膜の電気伝導特性は直接トンネル伝導が支配的であり、このコンダクタンスの高い領域ではHfO_2の実効的な膜厚の減少によるトンネル確率の増加として説明できる。
500℃で堆積した膜では、アモルファス中に結晶粒が点在する構造が形成される。しかしコンダクタンスは面内一様であり、結晶粒/アモルファス界面がリーク電流サイトとして働かないことを明らかにした。
室温堆積では、HfO_2はアモルファス構造を持つ。この膜には局所的なリーク電流サイトが存在しており、膜中に存在する正電荷に起因していることを見出した。
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