高誘電率絶縁薄膜中の欠陥の評価

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15560025
• 研究機関: 独立行政法人宇宙航空研究開発機構
• 研究代表者: 廣瀬 和之 独立行政法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究本部, 助教授 (00280553)
• 研究分担者: 服部 健雄 武蔵工業大学, 工学部, 教授 (10061516)
• キーワード: LSI / MOSFET / ゲート絶縁膜 / SiO_2 / 高誘電率 / HfO_2 / 欠陥 / 光電子分光

研究概要

高誘電率膜は次世代ゲート絶縁膜としてその開発が進んでいるが、信頼性の観点では様々な課題が残されている。最近、電気ストレスや放射線ストレスによって、夥しい量の電荷が膜中に捕獲されることが懸念されてきている。我々は、早期の実用化が期待されているhigh-k材料の一つであるHfAlOx薄膜中の電荷捕獲現象をXPS時間依存測定法を用いて評価した。本評価法は、下地Si基板から放出されるSi2p光電子の束縛エネルギーを測定することで、Siの表面電位を求めることができるため、トラシジスター構造や電極を作製することによる影響を受けずに、HfAlOx薄膜中に捕獲されている電荷量を知ることができるものである。
0.9nmの熱酸化膜を形成した後、300℃でALD(TMA+HfCl_4+H_2O)により3nm HfAlOx膜[Hf/(Hf+Al)=30%]を形成した試料を評価した。窒素/酸素雰囲気中1050℃で1秒ポストアニールした。基板はP型Si(100)基板である。測定に用いたXPS装置はVG ESACLAB 220_XLで、X線源には単色化したAl Kα線(1486.6 eV)を使用した。X線パワーは22Wと極めて小さいため、時間依存測定が可能となった。
測定の結果、薄膜形成プロセス後〜2x10^<12>cm^<-2>の電子が既に捕獲されており、一方X線照射により正孔を注入すると〜2x10^<12>cm^<-2>の正孔が捕獲されることが分かった。これらの結果は、SiO_2膜と較べて極めて多量の電荷捕獲中心がHfAlO_x薄膜形成プロセス直後に存在することを示している。トランジスターの信頼性を向上させるためには、これらの捕獲中心の密度を低減する薄膜形成プロセスの開発が強く望まれており、今後、下地膜、アニール条件、組成など最適プロセスを検討して行く予定である。

研究成果

• [文献書誌] 廣瀬和之: "Dielectric constant of ultrathin SiO_2 film estimated from Auger parameter"Physical Review B. 67. 195313-1-195313-5 (2003)
• [文献書誌] 廣瀬和之: "Characterization of dielectric properties of ultrathin SiO_2 film formed on Si"Applied Surface Science. 216. 351-355 (2003)
• [文献書誌] 廣瀬和之: "XPS Analysis of Carrier Trapping Phenomena in Ultrathin SiO_2 Film Formed on Si Substrate"Applied Surface Science. (accepted). (2004)
• [文献書誌] 廣瀬和之: "Application of XPS time-dependent measurement method to analysis of charge trapping phenomena in HfAlOx film"Applied Surface Science. (accepted). (2004)
• [文献書誌] 服部健雄: "Chemical and electronic structure of SiO_2/Si interfacial transition layer"Applied Surface Science. 212-213. 547-555 (2003)
• [文献書誌] 小林啓介: "High resolution-high energy x-ray photoelectron spectroscopy using third-generation synchrotron radiation source and its application to Si-high-k insulator systems"Applied Physics Letters. 83. 1005-1007 (2003)
• [文献書誌] 高橋健介: "Accurate determination of SiO_2 film thickness by x-ray photoelectron spectroscopy"Applied Physics Letters. 83. 3422-3424 (2003)
• [文献書誌] 塩路昌利: "X-ray photoelectron spectroscopy study on SiO_2/Si interface structures formed by three kinds of atomic oxygen at 300℃"Applied Physics Letters. (accepted). (2004)