研究課題
基盤研究(B)
本研究では、金属酸化物薄膜の代表として、最先端集積回路で適用が検討されているHfO_2系high-kゲート絶縁膜の絶縁特性を、測定・評価した。形成プロセスにおいては、界面安定化のためにhigh-k膜とシリコン基板との界面に挿入される極薄シリコン酸化膜は、表面への金属原子の吸着時に酸素引抜により、劣化する可能性があることを実証し、金属酸化物薄膜形成プロセスの原子的視点に立った制御の重要性を指摘した。電気的特性評価では、このような金属酸化物薄膜ではシリコン酸化膜とは異なり、界面律速ではなく、バルク律速であることを明らかにした。また、キャリアセパレーション法により、電子のみならず正孔も伝導に大きく関与し、酸素欠損や格子間酸素による膜中の欠陥準位を介した伝導が主要であり、これらを排除もしくは制御することが絶縁特性安定化に重要であることが明らかにした。リーク電流の経時変化から、電子を捕獲する酸素欠損がゲート電極近傍に、正孔を捕獲する格間酸素が基板近傍に、不均一に分布することが明らかとなった。伝導機構解明や電荷捕獲中心の原因追及において、陽電子消滅法による膜中の酸素欠損と特性との関連性を明らかにし、窒素添加がリーク電流を抑制し、同時にそのバラツキも抑制できることを明らかにした。このような窒素添加の効果は、第一原理計算によって支持された。金属酸化物薄膜のよって集積回路の高機能化を実現していくためには、さらに精度の高いプロセス技術と評価技術の構築を進めることが必須であり、また、実験物理と計算物理の融合が重要な役割を果たすことを示した。
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