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

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13450130
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 中島 寛 九州大学, 産学連携センター, 教授 (70172301)
• 研究分担者: 古川 勝彦 九州大学, 産学連携センター, 助教授 (40264121)
• キーワード: シリコン / 電子サイクロトロンプラズマ / スパッタリング / 高誘電率絶縁膜 / 酸化膜 / 窒化膜 / 積層構造

研究概要

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以下のZrO_2/SiN/SiO_2/Si積層構造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のポイントとなるSiN膜形成として、Ar/N_2混合プラズマにより、400℃の低温形成に成功した。また、SiN膜上にプラズマスパッタリングによりZrO_2薄膜を形成し、ZrO_2/SiN構造を形成した。いずれも、ガス流量依存性、基板バイス依存性、形成機構を系統的に調べた。測定は、絶縁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、構造解析を分光エリプソメトリー、XPS等により調べた。本年度に得られた成果は以下の通りである。
(1)Ar希釈N_2プラズマ照射[最適条件:N_2/(Ar+N_2)=0.6]によりSiO_2換算で2.2nmのSiN膜を形成し、SiO_2と較べて約2桁リーク電流が低減した窒化膜形成を400℃の低温で実現した。
(2)(1)の方法でSiN膜を形成後、Alを堆積して450℃で30分間熱処理すると、SiO_2換算膜厚が1.8nmまで減少することを見出した。その特性は、リーク電流および界面特性が著しく向上する。原因を解明中であるが、A1のSiN膜中への拡散効果の可能性が高い。(APL誌に投稿予定)
(3)ZrO_2/SiN/Si積層構造を用いてSiO_2換算1.8nmの絶縁膜を形成し、SiO_2と較べて約3桁のリーク電流低減、1.5倍の絶縁破壊電圧向上を実現した。

研究成果

• [文献書誌] 中島 寛: "ECRスパッタ法によるシリコン膜及びシリコン酸化膜の低温形成"Sputtering & Plasma Processes. 18・1. 35-42 (2003)
• [文献書誌] 中島 寛, 王 俊利, 趙 麗巍: "ECRプラズマを活用した高品質絶縁膜の低温形成"電子情報通信学会技術研究報告. 103・4. 19-23 (2003)
• [文献書誌] J.L.Wang, T.Saitou, Y.Sugimoto, D.Wang, L.Zhao, H.Nakashima: "Effect of Ion Mass and Ion Energy on Low-Temperature Deposition of Polycrystalline-Si Thin Film on SiO_2 Layer by Using Sputtering-Type Electron Cyclotron Resonance Plasma"Japanese Journal of Applied Physics. 42・2. L511-L513 (2003)
• [文献書誌] J.L.Wang, L.Zhao, N.H.Luu, K.Makiyama, D.Wang, H.Nakashima: "Growth Kinetics and Electrical Properties of Ultrathin Si Oxide Film Fabricated Using Krypton-Diluted Oxygen Plasma Excited by Electron Cyclotron Resonance"Japanese Journal of Applied Physics. 42・1. 6496-6501 (2003)
• [文献書誌] L.Zhao, N.H.Luu, D.Wang, Y.Sugimoto, K.Ikeda, H.Nakashima, H.Nakashima: "Low-Temperature Growth of Thin Silicon Nitride Film by Electron Cyclotron Resonance Plasma Irradiation"Japanese Journal of Applied Physics. 43・1. L47-L49 (2003)
• [文献書誌] Junli Wang, Liwei Zhao, Nam Hoai Luu, Dong Wang, Hiroshi Nakashima: "Structural and electrical properties of Zr oxide film for high-k gate dielectrics by using Electron cyclotron resonance plasma sputtering"Applied Physics A. (印刷中).