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

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14350160
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 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)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 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)
• Keywords: 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 / MOSFET / チャネル移動度 / ゲートリーク電流 / パルス原料供給

Research Abstract

1.短チャネルMOSFET用、ゲート絶縁膜材料として、Y_2O_3,HfO_2,Pr_2O_3超薄膜を、原子層制御MOCVD法を用いてシリコン基板上に作製した。分光エリプソメトリ法を用いて、薄膜堆積過程のその場観察を行った。作製した薄膜の構造は、透過電子顕微鏡、X線回折、SIMS, XPSなどの方法で評価を行った。また、MOSダイオードのC-V特性、1-V特性およびMOSFETのトランジスタ特性を測定した。
2.原子層MOCVD法では、原料ガスパルス、酸化ガスパルスの供給時間を変化させて、最適成長条件を探索する必要がある。分光エリプソメトリ法でリアルタイムにモニターしながら薄膜堆積を行うことにより、能率的に最適パルス供給条件を見つけることができた。
3.等価酸化膜厚1.2nm、ゲートリーク電流2.47×10^<-3>A/cm^2という世界最高水準のHfO_2薄膜を実現することができた。HfO_2薄膜を用いたnチャネルMOSFET構造を作製することによりチャネル移動度34cm^2/Vsが得られた。リモートフォノン散乱の機構により移動度低下の原因を議論した。Y_2O_3薄膜のエリプソメトリスペクトルを解析し、Y_2O_3層、シリケート層、SiO_2層の3層モデルで良く説明できることを明らかにした。Pr_2O_3薄膜の成長条件(基板温度、酸化剤流量、アニール温度)と結晶性、組成などの構造特性との相互関係を明らかにした。また、ダイオードを作製し、電気特性を測定した。

Research Products

• [Publications] Y.Tsuchiya, M.Endo, M.Kurosawa, R.T.Tung T.Hattori, S.Oda: "Atomic layer-by-layer MOCVD of high-k dielectric thin films with in-situ monitoring by spectroscopic ellipsometry"Solid State Devices and Materials Conference, Extended Abstracts. 474-475 (2002)
• [Publications] 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(4A)(印刷中). (2003)