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

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13450129
• 研究機関: 広島大学
• 研究代表者: 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)
• 研究分担者: 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)
• キーワード: 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 / 原子層成長 / 真空一貫 / ジルコニア / ハフニア

研究概要

平成14年度は、(1)Si基板と高誘電率金属酸化物の間に形成される低誘電率界面層の除去のために、薄膜Si窒化膜をSi基板上に原子層堆積法(ALD)で形成した。ALD形成する事により薄膜領域で膜厚の制御性と均一性が確保できる利点がある。更に、(2)高誘電率金属酸化物ゲート絶縁膜とSi窒化膜とのスタックゲート絶縁膜構造における極薄原子層成長Si窒化膜の膜質の評価のために、ALDSi窒化膜/酸化膜スタックゲート絶縁膜のトランジスタへの適用を行った。
I.ALD ZrO_2/ALDSi窒化膜スタックゲート絶縁膜構造の形成(上記(1)に関連)
高誘電率絶縁膜としてZrO_2を選択し、Zr[t-O(C_4H_9)とH_2Oの交互照射を行いZrO_2をALDした。ALDSi窒化膜がSi基板とZrO_2の間にない場合には、低誘電率界面層(~1nm)ができている。しかしALDによりSi窒化膜を堆積(膜厚~0.5nm)した場合には、断面TEM像から界面層が形成されていない事が判った。
II.ALDSi窒化膜/酸化膜スタックゲート絶緑膜を有するMOFETの作製(上記(2)に関連)
ゲート絶縁膜として酸化膜(2.3nm)上にALDにより約0.4nmのSi窒化膜を堆積し、pMOSFETを作製した。ホール移動度の実効チャネル垂直方向電界(チャネル長2μm)に対する依存性を測定し、低電界側では、酸化膜より移動度が低下することが確認された。一方、高電界側では、移動度の低下が起こらないことが確認された。高電界側で移動度の低下が見られないことはスタックゲート絶縁膜と酸化膜ゲート絶縁膜においてSi/ゲート絶縁膜界面ラフネスが同程度であることに起因すると考えられる。また低電界側での移動度の低下はALDシリコン窒化膜/酸化膜における双極子によるリモート散乱の影響の可能性が考えられる。

研究成果

• [文献書誌] Q.D.M.Khosru: "High-quality NH_3-annealed atomic layer deposited Si-nitride/SiO_2 stack gate dielectrics for sub-100nm technology generations"Solid-State Electronics. 46. 1659-1664 (2002)
• [文献書誌] A.Nakajima: "Atomic-layer-deposition of ZrO_2 with a Si nitiride barrier layer"Applied Physics Letters. 81. 2824-2826 (2002)
• [文献書誌] A.Nakajima: "Atomic-layer-deposited silicon-nitride/SiO_2 stack ----a highly potential gate dielectrics for advanced CMOS technology"Microelectronics Reliability. 42. 1823-1835 (2002)
• [文献書誌] A.Nakajima: "Atomic-layer-deposition of Si nitride and ZrO_2 for gate dielectrics"Atomic Layer Deposition (ALD 2002) Conference. 6-6 (2002)
• [文献書誌] H.Ishii: "Atomic-layer deposition of ZrO_2 with a Si nitiride barrier layer"2002 Int. Conf. on Solid State Devices and Materials. 452-453 (2002)
• [文献書誌] Q.D.M.Khosru: "A comparative study of bulk and interface trap generation in ultrathin SiO_2 and atomic-layer-deposited Si-nitride/SiO_2 stack gate dielecticts"Fourth Int. Symposium on Control of Semiconductor Interfaces (ISCSI-IV). A6-3 (2002)
• [文献書誌] 石井紘之: "原子層堆積Si窒化膜バリア層上のZrO_2薄膜の形成"平成14年秋季第63回応用物理学会学術講演会. 2号. 740 (2002)
• [文献書誌] 葛西哲郎: "ALDシリコン窒化膜/SiO_2スタック構造ゲート絶縁膜を用いたMOSFETの作製ト電気特性の評価"平成15年春季第50回応用物理学関係連合講演会. (2003)