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本研究では、電子サイクロトロン共鳴(ECR)プラズマを活用したSiの低温酸化、Hf金属膜のスパッタ堆積、金属膜の表面酸化、およびその後の酸素制御熱処理により、SiO_2膜換算で1.0nm以下のゲート絶縁膜形成に関する技術基盤を確立することを目的としている。目標は、同一膜厚のSiO_2膜と比較して4桁以上のリーク電流低減、Si酸化膜と同程度の界面特性の実現である。
これを実現するため、以下のプロセスを開発した。(1)Ar/O_2混合プラズマ[最適条件:O_2/Ar=0.1/30scccm]による1.2nmのSiO_2膜形成、(2)スパッタリングによる3nmのHf金属の堆積、(3)酸素プラズマ照射によるHf表面酸化、を同一真空中で行い、急速熱処理により組成変調条件を広範囲に調べた。本年度に得られた成果は以下の通りである。
(1)Hfの表面酸化時間8分に対して熱処理時間を30秒とした時、650℃が最も低いSiO_2換算膜厚(EOT)が得られた。この時のEOTは1.3nmであった。
(2)熱処理条件を650℃、30秒とした時、Hfの表面酸化時間は8.5分が最も低いEOTが得られた。種々の処理条件を調査した結果、この条件が最適で、EOTは1.1nmであった。また、リーク電流は同一膜厚のSiO_2膜と比較して4桁の低減できた。
(3)最適条件で作成された絶縁膜は、SiO_2と同程度に良い界面特性を有することを明らかにした。また、XPSによる測定から、熱処理によりHfOxの組成がHfO_2に変化したことを確かめた。
以上の成果はApplied Physics Letter誌に投稿する予定である。
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