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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

高介电常数材料声子结构的阐明和MOS器件的优化

基本信息

批准号：
05J11894
负责人：
富田一行
金额：
$ 1.73万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2005
资助国家：
日本
起止时间：
2005 至 2007
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-05J11894/
关键词：
High-k HfO_2 誘電率リーク電流 Si doped HfO_2 結晶構造変化 FT-IR 錯イオン Si doped HfO2 WKB近似トンネル有効質量結晶相転移 Hf-silicate 分子分極率分子体積

项目摘要

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。

The research results of the previous year showed that the addition of trace SiO_2 in HfO_2 was accompanied by the increase of induced current due to the crystal structure transformation. This year's research is aimed at exploring the origin and conclusion of the structural transformation of HfO_2 crystals and proposing a new method for the formation of tetragonal crystals in (SiO_4) crystals<4->. The radius ratio (r_c/r_a) of tetragonal crystals and stable coordination number (r_c/r_a ~ 1) is ideal. Hf^<4+> O^<4+> O^<4> O ^<<2->4> O ^<4 Let's consider whether the HfO_4 structure can be replaced by (SiO_4)^+<4->1. In this case, the average number of negative points is 1.32. For SDH, r_c/r_a is ~ 0.63. For example, the ratio of radius to radius of HfO_2 and r_c/r_a is larger than that of HfO_2. The Hf-O-Si bonding film is formed in the middle of the film. The results of FT-IR application are expected to be near 850 cm<-1>. At the same time, a large number of Si-O-Si bonds were detected. A small amount of SiO_2 is added to the solution, and the phase separation of SiO_2 is initiated. The addition of Si atoms to (SiO_4)^can easily lead to the existence of <4->several (SiO_4)^<4->atoms in close proximity to SiO_2 atoms. The phase separation and precipitation of low permittivity structures are significant. This is the problem of maintaining the nature of the insulation film, and it is expected to be solved in future research on optimization of the insulation film.