無機酸化物絶縁性薄膜の電気的および光学的性質に与える欠陥の影響

缺陷对无机氧化物绝缘薄膜电学和光学性能的影响

• 批准号: 00J05733
• 负责人: 加藤 宙光
• 金额: $ 1.92万
• 依托单位: Waseda University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2000
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2000 至 2002
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-00J05733/
• 关键词: ワイドバンドギャップ; シンクロトロン放射光; 時間分解発光測定; 有機金属化学的気相堆積装置; Hf_xSi_<(1-x)>O_y膜; Zr_xSi_<(1-x)>O_y膜; 電子障壁高さ; 禁制帯内部の電子局在準位

シリコン酸窒化膜(SiO_xN_y膜)やシリコン窒化膜(SiN_z膜)などのワイドバンドギャップを有する無機酸化物誘電体薄膜は、光透過性および電気絶縁性に優れており、光・エレクトロニクスデバイスの基幹的材料として幅広く利用されている。これらの膜質改善および新規応用を目的とし、欠陥の構造とエネルギー準位の解明、ならびに欠陥が光学的・電気的性質に与える影響を系統的に明らかにする研究を行ってきた。さらに、次世代のLSIデバイス実現のために、ハフニウムシリケート膜(Hf_xSi_<(1-x)>O_y膜)やジルコニウムシリケート膜(Zr_xSi_<(1-x)>O_y膜)といった新材料開発をも同時に遂行した。以下に、研究成果の概要を2つに分けて記載する。(1)SiO_xN_y膜やSiN_zにおける局在準位の起源および励起電子の緩和過程SiO_xN_y : H膜およびSiN_z : H膜から観測されるバンド端PLの諸特性から、局在準位の起源および励起電子の緩和過程の解明を行なった。シンクロトロン放射光(SR光)および紫外光ニキシマレーザを用いて測定した両物質の発光および発光励起スペクトルに多くの類似点があることから、発光帯がSi-N結合に関連したバンド端の局在準位に起因することを明らかにした。時間分解発光測定および時間相関単一光子計数法による寿命測定から、励起電子の緩和過程にはnsオーダーのエキシトン的再結合過程とμsオーダーの輻射トンネリング再結合過程の2つの過程が存在することを明らかにした。また、バンド端PLに及ぼすシリコンの未結合手(Si-DBs)の影響を検討した。Si-N結合に隣接する水素の離脱により生成されるSi-DBsの密度N_Dが増大すると発光強度が減少することを明らかにした。この実験結果は、発光中心と消光中心の同のトンネル遷移確率がN_Dと正の相関を有すると仮定して記述した関数に極めてよく一致した。これよりSi-DBsがバンド端発光における消光中心となることを明らかにした。(2)高誘電率Hf_xSi_<(1-x)>O_y膜およびZr_xSi_<(1-x>)O_y膜の成膜と物性評価次世代CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)トランジスタのゲート絶縁膜として期待される高誘電率なHf_xSi_<(1-x)>O_y膜およびZr_xSi_<(1-x>)O_y膜の開発を目的に、プラズマを反応促進媒体とした有機金属化学的気相反応堆積装置の開発に成功し、独自の手法で高誘電率を有するHf_xSi_<(1-x)>O_y膜およびZr_xSi_<(1-x>)O_y膜の成膜に成功した。X線光電子分光法を用いて、化学結合状態がシリケート構造であることを確認した他、酸素の1s軌道電子の損失スペクトルから禁制帯幅を、さらに価電子帯スペクトルからシリコン基板との電子障壁高さΦ_eを見積もった。組成比xの増加と共にΦ_eは2.8から1.2eVまで減少した。xの増加とともにΦ_eが急激に減少する原因として、伝導帯下端を構成するHfのd軌道電子が増加するためと考えられる。また、CMOSデバイスが安定に動作するための条件として、Φ_e>〜1.0eVと報告されているが、我々のHf_xSi_<(1-x)>O_y膜は全てこの条件を満たしていることを明らかにした。さらにSR光を用いて紫外-真空紫外域の吸収測定やフォトルミネセンス解析を行なった。発光・発光励起スペクトルおよび発光寿命の組成比x依存性から、xの増加と共に禁制帯中に多くの局在準位が導入されることが分かった。これらの結果は次世代high-k材料を選定する上で重要な情報となる。

具有宽带隙的无机氧化物介电薄膜，如硅氧硝酸盐膜（SIO_XN_Y膜）和氮化硅膜（SIN_Z膜）在光线传播和电气绝缘层非常出色，并且被广泛用作光学和电子设备的核心材料。为了提高膜质量并应用这些膜，我们进行了研究以阐明缺陷的结构和能量水平，并系统地阐明缺陷对光学和电气性能的影响。此外，为了实现下一代LSI设备，新材料（例如Hafnium Silicate膜（HF_XSI _ <（1-X）> o_y膜）和锆硅酸盐膜（Zr_xsi _ <（1-x）> O_Y膜）也是同时开发的。下面，研究结果的概述分为两类。 （1）从sio_xn_y：h film and sin_z：h film中观察到的sio_xn_y膜中局部水平和激发电子的放松过程的起源。两种材料的发射和发射激发光谱的许多相似性使用同步加速器辐射（SR光）和紫外线nixima激光器测量的材料表明，发射带是由于与Si-N键相关的频带端的局部水平引起的。时间分辨的发光测量和使用时间相关的单光子计数方法的寿命测量方法表明，激发电子的弛豫过程中有两个过程：在NS的顺序和辐射隧道隧道的重新组合过程中的激发重组过程。此外，研究了未结合硅（Si-DB）对带边缘PL的影响。发现当通过与Si-N键相邻的氢分离产生的Si-DB的密度N_D的密度N_D的密度降低时，发射强度会降低。假设发光中心的相同隧道过渡概率和淬火中心与N_D具有正相关，则该实验结果与所描述的功能非常匹配。这表明SI-DBS是带端发射的淬火中心。 （2）膜形成和物理性质评估高dielectric-constant hf_xsi _ <（1-x）> o_y胶片和zr_xsi _ <（1- x>）o_y膜的目的是开发高dielectric-contant hf_xsi _xsi _xsi _xsi _ <（1- x）预计将用于下一代CMO（互补金属氧化物半导体）晶体管的胶片，我们成功地开发了使用等离子体作为反应加速器培养基的有机金属化学蒸气相反应装置，并成功地形成了高dielectric-contant hf_xsi _ <（1--x），并成功地形成了高dielectric-contant hf_xsi _ <（1--x）。 X射线光电子光谱证实，化学键合状态是硅酸盐结构，并且从1S氧气的氧气的损耗光谱中估算了禁止带宽度，而电子屏障高度φ_e则与硅底物在价带光谱中估计。随着组成比的增加，φ_e从2.8降低到1.2 eV。随着x的增加而突然减少φ_e的原因是，构成传导带的下端的HF的D-轨道电子增加。此外，据报道，φ_e> 〜1.0EV是CMOS设备稳定操作的条件，但是已经揭示了我们所有的HF_XSI _ <（1-x）> o_y膜均符合这种情况。此外，使用SR光进行了紫外线紫外线范围和光致发光分析的吸收测量。发射和发射激发光谱和发射寿命的组成比X的依赖性表明，随着X的增加，许多局部水平被引入禁忌频带。这些结果在选择下一代高K材料时提供了重要信息。

项目成果

加藤宙光 他: "ハフニアおよびハフニウムシリケートのSR光誘起フォトルミネセンス"第50回応用物理学関係連合講演会. (発表予定). (2003)

Hiromitsu Kato 等人：“二氧化铪和硅酸铪的 SR 光诱导光致发光”第 50 届应用物理协会讲座（即将发表）（2003 年）。

南向智広, 加藤宙光 他: "ハフニウムおよびジルコニウムシリケート膜における電気特性に与える熱処理の効果"第63回応用物理学会学術講演会. 2巻. 729 (2002)

Tomohiro Minamimukai、Hiromitsu Kato 等：“热处理对硅酸铪和硅酸锆薄膜电性能的影响”第 63 届日本应用物理学会年会 (2002)。

Hiromitsu Kato, et al.: "Photo-induced refractive index change in hydrogenated amorphous silicon oxynitride"Journal of Applied Physics. Vol.91. 6350-6353 (2002)

加藤弘光 (Hiromitsu Kato) 等人：“氢化非晶硅氮氧化物中的光致折射率变化”应用物理学杂志。

加藤宙光 他: "PECVD法およびPLD法により成膜したHfO_2膜のフォトルミネッセンス解析"第63回応用物理学会学術講演会. 2巻. 725 (2002)

加藤弘光等人：“PECVD 和 PLD 方法沉积的 HfO_2 薄膜的光致发光分析”，第 63 届日本应用物理学会年会，第 2 卷 725（2002 年）。

加藤宙光 他: "ハフニウムシリケートの価電子帯スペクトルのXPS解析"第50回応用物理学関係連合講演会. (発表予定). (2003)

Hiromitsu Kato 等人：“硅酸铪价带光谱的 XPS 分析”第 50 届联合应用物理会议（预定演讲）。