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。

宽带隙无机氧化物介质薄膜，如氮氧化硅薄膜(SiO_xN_y薄膜)和氮化硅薄膜(SiN_z薄膜)，具有优异的光学透明性和电绝缘性能，作为光电器件的核心而得到广泛应用。用作材料。为了提高这些薄膜的质量并寻找新的应用，我们进行了研究，系统地阐明了缺陷的结构和能级，以及缺陷对光学和电学性能的影响。此外，为了实现下一代LSI器件，我们正在同时开发硅酸铪膜（Hf_xSi_<(1-x)>O_y膜）和硅酸锆膜（Zr_xSi_<(1-x)>O_y膜）等新材料。 ）。 执行。以下是研究成果的总结，分为两部分。 (1)阐明了SiO_xN_y薄膜和SiN_z中局域能级的起源和激发电子的弛豫过程。使用同步加速器辐射（SR光）和紫外niximer激光测量的两种材料的发射和发射激发光谱有许多相似之处，表明发射带位于与Si-N键相关的带边缘。这是水平造成的。通过时间分辨发光测量和时间相关单光子计数方法的寿命测量，我们发现激发电子的弛豫过程涉及两个过程：ns量级的激子复合过程和μs量级的辐射隧道复合过程揭晓。我们还研究了硅悬挂键 (Si-DB) 对能带边缘 PL 的影响。结果表明，随着邻近 Si-N 键的氢脱离而产生的 Si-DB 的密度 N_D 增加，发射强度降低。该实验结果与所描述的函数非常吻合，假设发射中心和消光中心的相同隧道跃迁概率与 N_D 呈正相关。这表明Si-DBs是带边发射的猝灭中心。 (2)高介电常数Hf_xSi_<(1-x)>O_y膜和Zr_xSi_<(1-x>)O_y膜的成膜和物性评价下一代CMOS(互补金属氧化物)为了开发有望用作晶体管（半导体）栅极绝缘膜的高介电常数Hf_xSi_<(1-x)>O_y薄膜和Zr_xSi_<(1-x>)O_y薄膜，等离子体我们成功开发了使用化学反应促进介质的有机金属化学气相反应沉积装置，并使用我们独特的方法开发了具有高介电常数的Hf_xSi_<(1-x)>O_y薄膜和Zr_xSi_<(1-x>)O_y薄膜薄膜沉积成功。利用X射线光电子能谱，我们确认了化学键态为硅酸盐结构，并从氧1s轨道电子的损失谱中确定了禁带宽度，从价带谱中确定了与硅衬底的电子势垒高度我们估计了 Φ_e。随着成分比 x 的增加，Φ_e 从 2.8 eV 降低到 1.2 eV。 Φ_e随着x的增加而迅速减小的原因被认为是由于Hf中构成导带下端的d轨道电子数量增加。此外，据报道，Φ_e>~1.0eV 是 CMOS 器件稳定运行的一个条件，并且我们已经证明我们所有的 Hf_xSi_<(1-x)>O_y 薄膜都满足这个条件。此外，我们还进行了紫外-真空紫外区域的吸收测量以及使用SR光的光致发光分析。从发射光谱和发射激发光谱以及发射寿命对组成比x的依赖性发现，随着x的增加，禁带中引入了更多局域能级。这些结果为选择下一代高k材料提供了重要信息。

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: "バンド端発光における非輻射再結合中心の検証 -a-SiO_xN_y : H膜とa-SiN_z:H膜の比較-"第63回応用物理学会学術講演会. 2巻. 820 (2002)

加藤弘光等人：“带边发射中非辐射复合中心的验证 - a-SiO_xN_y : H 膜和 a-SiN_z:H 膜的比较 -”第 63 届日本应用物理学会年会第 2 卷。 820（2002）