次世代MOSトランジスタ用Hf系高誘電率ゲート絶縁膜の研究

本年度は、Hf系酸化物の誘電率の向上を目的として、TiO_2もしくはGd_2O_3の添加を行い、また、しきい値電圧の制御のためにゲート電極からのAl添加を行い、光電子分光分析によりに評価を行った。1.Pt膜上に形成したHfTixOy膜において、Ti/(Hf+Ti)組成が化学結合状態、エネルギーバンドプロファイル及び欠陥準位密度に及ぼす影響を評価した。500℃酸素雰囲気中で熱処理したHfTixOy/Pt界面ではPtOxが形成し、Ti/(Hf+Ti)組成39%では、HfTixOy膜中の化学組成分布は表面近傍を除きほぼ均一であることを確認した。Ti組成〜40%以上の領域で、Ptに対するHfTixOyの伝導帯側の障壁高さは〜1.6eVでほぼ一定あった。一方、価電子帯側の障壁高さは、Ti組成に伴い、わずかに減少する。HfTixOy膜中の電子占有欠陥は、Ti組成の増大に伴い増大することが分かった。2.DPM錯体を用いたMOCVDによりGd/(Gd+Hf)組成の異なるHfGdxOyをPt上に形成し、化学結合状態およびエネルギーバンドプロファイルを評価した。800℃O_2熱処理したHfGdxOy/Pt界面は組成急峻であり、Gd-O-Hf結合の形成を確認した。Gd/(Gd+Hf)組成の増加に伴い、HfGdxOyとPtの伝導帯オフセット量は3.20eVから1.2eV増大し、価電子帯オフセット量は、Gd組成に比例し単調に減少する。また、Gd組成が〜45%の領域で、比誘電率は〜24が得られた。3.TiAlN/HfSiON/SiO2ゲートスタックにおいて、Si基板を除去し、絶縁膜側から界面の化学結合状態および仕事関数をX線光電子分光により直接評価した。1000℃熱処理によりHfSiON上のTiNおよびTiAlN(Ti:Al=75:25)ゲートの実効仕事関数の低下することが分った。SiO2膜厚1nmの場合、TiNゲートに比べて、TiAlNの実効仕事関数の低下量は半減する(TiN:4.51eV,TiAlN:4.70eV)。したがって、TiAlNゲートからのHfSiON中へAlおよびN原子の拡散・混入が、実効仕事関数低下の緩和・解消に有効であると考えられる。

本年度は、Hf系酸化物の誘電率の向上を目的として、TiO_2もしくはGd_2O_3の添加を行い、また、しきい値電圧の制御のためにゲート電極からのAl添加を行い、光電子分光分析によりに評価を行った。1.Pt膜上に形成したHfTixOy膜において、Ti/(Hf+Ti)組成が化学結合状態、エネルギーバンドプロファイル及び欠陥準位密度に及ぼす影響を評価した。500℃酸素雰囲気中で熱処理したHfTixOy/Pt界面ではPtOxが形成し、Ti/(Hf+Ti)組成39%では、HfTixOy膜中の化学組成分布は表面近傍を除きほぼ均一であることを確認した。Ti組成〜40%以上の領域で、Ptに対するHfTixOyの伝導帯側の障壁高さは〜1.6eVでほぼ一定あった。一方、価電子帯側の障壁高さは、Ti組成に伴い、わずかに減少する。HfTixOy膜中の電子占有欠陥は、Ti組成の増大に伴い増大することが分かった。2.DPM錯体を用いたMOCVDによりGd/(Gd+Hf)組成の異なるHfGdxOyをPt上に形成し、化学結合状態およびエネルギーバンドプロファイルを評価した。800℃O_2熱処理したHfGdxOy/Pt界面は組成急峻であり、Gd-O-Hf結合の形成を確認した。Gd/(Gd+Hf)組成の増加に伴い、HfGdxOyとPtの伝導帯オフセット量は3.20eVから1.2eV増大し、価電子帯オフセット量は、Gd組成に比例し単調に減少する。また、Gd組成が〜45%の領域で、比誘電率は〜24が得られた。3.TiAlN/HfSiON/SiO2ゲートスタックにおいて、Si基板を除去し、絶縁膜側から界面の化学結合状態および仕事関数をX線光電子分光により直接評価した。1000℃熱処理によりHfSiON上のTiNおよびTiAlN(Ti:Al=75:25)ゲートの実効仕事関数の低下することが分った。SiO2膜厚1nmの場合、TiNゲートに比べて、TiAlNの実効仕事関数の低下量は半減する(TiN:4.51eV,TiAlN:4.70eV)。したがって、TiAlNゲートからのHfSiON中へAlおよびN原子の拡散・混入が、実効仕事関数低下の緩和・解消に有効であると考えられる。