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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た。
これを実現するために、SiO_2、SiN、ZrO_2薄膜の構造と電気特性に対するガス流量効果と基板バイス効果を調べ、形成機構を明らかにした。更に、SiN膜上にスパッタリングによりZrO_2薄膜を形成し、ZrO_2/SiN構造形成に取り組んだ。得られた成果は以下の通りである。
(1)Kr希釈O_2プラズマ照射により絶縁破壊電界12MV/cm、界面準位3.2×10^<10>eV^<-1>cm^<-2>の特性を有する高品質酸化膜を130℃の低温で達成した。
(2)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2.46nm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。
(3)(2)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。
(4)Ar/O_2プラズマスパッタにより誘電率20.5、絶縁破壊電界4MV/cmの特性を有するZrO_2形成を実現した。
(5)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。
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