高誘電率材料のフォノン構造の解明、及びMOSデバイスへの最適化

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前年度までの研究成果より、HfO_2中に微量のSiO_2が添加されることで結晶構造変化に伴う誘電率増大が引き起こされることが分かった。本年度の研究ではHfO_2の結晶構造変化の起源を検討し、結論として(SiO_4)^<4->錯イオン形成による正方晶安定化モデルを提案した。イオン結晶におけるイオン半径比(r_c/r_a)と陽イオンの安定配位数には幾何学的に決まる関係があり、正方晶のような8配位構造が安定になるためには0.732〜r_c/r_a〜1が理想値となる。Hf^<4+>イオンとO^<2->イオンのr_c/r_aはおよそ0.60であるため、HfO_2では8配位の構造は安定構造ではない。ここでHfO_4構造を(SiO_4)^<4->錯イオンが置換することを考える。この場合、平均的な陰イオンのサイズはおよそ1.32Åとなる。この値とHf^<4+>イオンのサイズを比較すると、SDHにおけるr_c/r_aの値は〜0.63となる。これはHfO_2のr_c/r_aよりもわずかながら大きな値であり、イオン半径比の増大から正方晶構造安定化が定性的に理解できる。このような状況ではHf-O-Si結合が膜中に形成されているはずである。FT-IRを用いた実験の結果、予想されたように850cm^<-1>付近にHF-O-Si結合に起因するものと思われるピークが検出された。また同時に多量のSi-O-Si結合も検出された。これは少量のSiO_2添加にも関わらずSiO_2の相分離が起きていることを意味している。添加されたSi原子は(SiO_4)^<4->として存在しているため、数個の(SiO_4)^<4->が近接位置に存在すると容易にSiO_2と同様の構造を有するものと考えられる。このような相分離は低誘電率構造の析出を意味しており望ましいものではない。これは多元系絶縁膜における本質的な問題であり、今後の研究におけるデバイス作製プロセスの最適化等によって解決されることが望まれる。