研究課題
基盤研究(C)
本研究プロジェクトでは、高誘電率絶縁膜の基本物性の中でも特に格子欠陥の物性解明に焦点を当てて研究を行った。また、同時に高誘電率絶縁膜を用いる場合でも下地絶縁膜として不可欠なSiO_2絶縁膜の原子レベルでの形成過程の解明も目指した。その結果、以下の結果が得られた。(1)高誘電率絶縁膜として最も有望視されているHfO_2系絶縁膜がイオン結晶であるという最も単純な事実に注目し、p+poly-Siゲート/HfO_2系絶縁膜界面で観測されるフェルミレベルビ。ニングについて議論した。その結果、HfO_2から酸素を引き抜いてpo1y-Siゲートが部分的に酸化されるという反応によって、HfO_2中に酸素空孔と2つの電子が同時に生成され、さらに生成された電子がpoly-Siゲート側に移動することによって生じる界面ダイポールが大きなVfbシフトの原因となることを理論的に明らかにした。こうして生じるフェルミレベルピニングは界面反応のエナージェティクスで支配されるため、ピニング位置は膜質、プロセス条件には殆ど依存しないことになる。(2)第一原理計算によって、HfO_2中でのN涼子の効果を原子レベルで調べた。その結果、N原子にはVoに由来するギャップ準位を不活性化することでリーク電流を大幅に減少させる本質的で新しい効果があることがわかった。(3)Hf系絶縁膜の下地絶縁膜として使用されるSiO_2絶縁膜の形成過程についても、第一原理量子論によって考察を行った。その結果、下地SiO_2絶縁膜の形成過程には、界面近傍の歪みが大きく影響することを見出した。歪み解放の状況は通常のSiO_2形成時とHf系絶縁膜とでは大きく異なると考えられる。この歪み解放の相違が下地絶縁膜の膜質や膜厚に依存するとともに、Hf系絶縁膜中に拡散することが知られているSi原子の振る舞いにも大ぎな影響があると考えられる。
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