熱負荷プロセスにおける異種絶縁膜界面の構造遷移機構の原子レベル解析

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次世代MOSFETのゲート絶縁膜として用いることができるHigh-k材料の開発は急務である。このHigh-k材料には、薄膜においても高誘電率・低リーク電流特性等の高性能・高品質が要求される。本研究の目的は、超高真空型パルスレーザーアブレーション(PLD)法を用いた層状積層プロセス及び熱的負荷プロセスによって異種高誘電率材料の複合膜を作製し、局所領域での界面固相反応、原子層レベルでの結晶学的構造の遷移構造を解明し、電気的特性との相関を明らかにすることである。以下に主な結果を示す。・PLD法によってSi(100)基板上に作製したHfO_2とTiO_2の異種高誘電率材料複合膜は、HfO_2とTiO_2がmixingを起こし、アモルファス構造をしていることが断面高分解能透過電子顕微鏡(TEM)像によって確認された。また、Si基板と複合膜との界面には、厚さ1.8nmの界面層が形成された。・上記試料について急速熱処理(RTA)法により熱的負荷を加えると、複合膜はHfTiO_4-orthorhombic(011)面に優先配向した柱状結晶粒構造となった。この結晶粒は、平面TEM像から面内方向に100nm以上と大きな粒径であった。一方、AlゲートMOSキャパザシターを作製し、容量-電圧特性を測定したところ、見積もられるHfTiO_4の比誘電率は、45と非常に高いものが得られた。また、電流検出型原子間力顕微鏡による面内方向の局所領域リーク電流分布と平面TEM像との比較から結晶粒界に依存した電流分布を示すことが明らかになった。