| 研究概要 |
MOS-FETの従来のゲート酸化膜材料であるSiO_2には、LSIの微細化や低消費電力化に伴いゲート絶縁膜の薄膜化が進むにつれ、直接トンネルリーク電流の問題が発生する。薄膜化の限界は1.5nm程度と言われており、近年、SiO_2にかわる材料として、高誘電率材料(High-K)が注目を集めている。SiO_2に比べ誘電率の高い物質であれば、膜厚を厚くしてもSiO_2と同程度の容量が得られるため、性能を保ちながらもトンネルリーク電流を抑えることが出来るはずであり、Al_2O_3,ZrO_2,HfO_2など高い比誘電率をもつ物質がその候補に挙げられている。その中でもZrO_2は非晶質であるという点でSiO_2と類似の性質を持つため、Siとの界面における熱的安定性に優れ、その利用が期待されている。しかし、ZrO_2のゲート酸化膜としての利用に際しては、Siとの界面構造の歪みに起因する界面欠陥が問題とされてきた。本研究の目的は界面の構造特性が半導体のバンド構造に与える影響を解析、ゲート酸化膜としての信頼性に与える影響を原子レベルから明らかにすることであり、これを構造のモデリング、その構造の電子状態計算の2つの要素に分けて行った。前者は、大規模系における構造を求めるには有効な分子動力学法によって、後者は求めた構造に対する第一原理計算によって行った。モデリングにより観測された特徴、(1)Si-O結合距離の歪み、(2)Zr-O結合距離の歪み、(3)Zr原子間に存在する格子間酸素、のうち禁制帯中への界面準位という形で影響が表れたのは(2)と(3)であった。特に(3)は価電子帯のすぐ上に現れるためゲート酸化膜の性能への影響が特に大きいものと考えられる。
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