原子層MOCVDと分光エリプソメトリによる高誘電率酸化膜超薄膜の原子レベル制御

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14350160
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 小田 俊理 東京工業大学, 量子効果エレクトロニクス研究センター, 教授 (50126314)
• 研究分担者: 土屋 良重 東京工業大学, 量子効果エレクトロニクス研究センター, 助手 (80334506)
• キーワード: 原子層MOCVD / 分光エリプソメトリ / 高誘電率ゲート酸化膜 / 薄膜堆積その場観察 / 第一原理計算 / 光学的誘電率 / Prシリケート / 角度分解XPS

研究概要

1.原子層MOCVD法を用いて、極微細短チャネルMOSFETの次世代ゲート絶縁膜材料として注目されているHfO_2超薄膜をシリコン基板上に作製した。堆積チャンバーに取り付けたエリプソメーターを用いて薄膜堆積過程の成長その場観察を行い、堆積中のシグナル変化と作製した薄膜の構造、および電気特性との比較から、良質な成膜が実現する条件での堆積メカニズムを調べた。
2.HfO_2堆積中の分光エリプソメトリスペクトル変化から求めた光学的誘電率の時間変化を、第一原理計算の結果から評価したHfO_2,SiO_2,およびHfシリケートの光学的誘電率と比較することで、堆積中の界面層の形成、その後の酸化物薄膜成長、およびそれらの組成についてモデル化を行った。断面TEM観察、およびEDX分析の結果と比較し、モデルが妥当であるということを示した。
3.次々世代の新規高誘電率ゲート絶縁膜材料の候補のひとつであるPr酸化物極薄膜、およびPrシリケート極薄膜をMOCVD法により作成し、構造、および電気特性の評価を行った。高分解能角度分解XPS測定により求めたPrシリケートのバンドギャップ、および、シリコン/Prシリケート界面での伝導帯、価電子帯の不連続量は、ともにゲート絶縁膜として用いるために十分大きな値をもつことがわかった。等価酸化膜厚1.5nm、ゲートリーク電流9.6×10^<-6>A/cm^2というHf系材料に匹敵する特性を実現することができた。

研究成果

• [文献書誌] Y.Tsuchiya, M.Endo, M.Kurosawa, R.T.Tung, T.Hattori, S.Oda: "Pulsed-Source MOCVD of high-k dielectric thin films with in-situ monitoring by spectroscopic ellipsometry"Japanese Journal of Applied Physics. 42(4B). 1957-1961 (2003)
• [文献書誌] Y.Tsuchiya, M.Endo, S.Oda: "Pulsed-source MOCVD HfO_2 ultrathin film growth optimized by in situ ellipsometry monitoring"Extended Abstracts of the 2003 International Conference on Solid State Devices and Materials Conference. 820-821 (2003)
• [文献書誌] Y.Tsuchiya, H.Fujita, H.Nohira, T.Hattori, H.Mizuta, S.Oda: "Fabrication and Characterization of Praseodymium Silicate Grown by MOCVD"Extended Abstracts of the 9^<th> Workshop on Formation, Characterization, and Reliability of Ultrathin Silicon Oxides. 219-222 (2004)
• [文献書誌] H.Fujita, Y.Tsuchiya, H.Mizuta, H.Nohira, T.Hattori, S.Oda: "Structural and Electrical Properties of Praseodymium Silicate Ultrathin Gate Dielectrics Grown by MOCVD"Extended Abstracts of the 2004 International Workshop on Dielectric Thin Films for Future ULSI Devices : Science and Technology. (印刷中). (2004)