高誘電率絶縁膜-シリコン界面における界面反応層の形成・消失過程の解明

高介电常数绝缘膜-硅界面界面反应层的形成和消失过程的阐明

基本信息

批准号：
16760563
负责人：
喜多浩之
金额：
$ 2.3万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
财政年份：
2004
资助国家：
日本
起止时间：
2004 至 2005
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では,高誘電率酸化膜(High-k膜)とSiの界面としてHfO_2/SiとY_2O_3/Siの2つの系を比較しながら,界面反応機構と反応経路の検討を進めてきた。前者は界面でSiの酸化が見られ,後者はシリケート化反応が見られる例である。平成16年度はHfO_2/Si界面反応のモデル化を進めたが,今年度はまず,このモデルを発展させてY_2O_3/Si界面反応の定量的な説明を試みた。予め界面にSiO_2層を挟んだY_2O_3/SiO_2/SiスタックをN_2中で加熱したところ,600℃付近からシリケート化反応によってSiO_2層が減少し始め,900℃以上となると減少が顕著となる。ところがそれ以上温度を上げてもSiO_2層は消失せずに逆に上昇に転じてしまう。これは残留酸素による酸化とシリケート化反応の競合である。HfO_2/Siでの界面反応モデルと同様に,界面層中を原子状の酸素が失活しながら通過して界面に到達するモデルを適用したところ,界面層が減少して薄くなると急速に原子状酸素の失活率が低下して酸化速度が増大することによって定量的に説明できた。次に,基板をGeに変えた場合の界面反応の解析へと展開した。近年,高チャネル移動度を有するGe上にトランジスタを作製する試みが急速に注目されているためである。その結果,HfO_2/Ge,Y_2O_3/Ge,どちらの場合もN_2アニールによって界面層が消失し,Ge上であれば界面層を持たない界面を容易に形成できた。これは主に界面酸化により形成されるGeO_2が不安定で,多量にHigh-k膜中へ拡散,さらに気相へと脱離するためと考えられる。SIMS測定の結果,絶縁膜中に拡散したGeが検出されたが,特にY_2O_3/Geの場合に顕著であり,YとGeを含む複合酸化物が界面に形成され得ることを示唆する。即ち,Geの界面反応の制御においても,ますますHigh-k材料の選択が重要となる。

在这项研究中，我们一直在研究界面反应机理和反应路径，同时比较两个系统HFO_2/si和Y_2O_3/SI，作为高含量 - 稳态氧化物膜（高K膜）和SI之间的界面。前者显示界面处的Si氧化，后者显示有硅化反应。在2004年，我们开始对HFO_2/SI接口反应进行建模，但是今年我们首先开发了该模型来定量解释Y_2O_3/SI接口反应。当Y_2O_3/SIO_2/SI堆栈将夹在界面之间的SIO_2层在N_2中加热时，SIO_2层从硅化反应引起的600°C左右开始减少，并且当它达到900°C以上时，它的下降变得更加明显。但是，即使温度进一步升高，SIO_2层也不会消失，并且变为上升。这是残留氧与硅化反应之间的氧化之间的竞争。与HFO_2/Si的界面反应模型相似，该模型在应用并施加到界面时，原子氧通过界面层穿过界面层。随着界面层的减小并变得更薄，原子氧的失活速率迅速降低，氧化速率增加，这可以定量解释。接下来，当将基板更改为GE时，我们对界面反应进行了分析。这是因为最近在通道迁移率高的GE上制造晶体管的努力一直在迅速关注。结果，在这两种情况下，界面层由于N_2退火而消失，在GE上，一个没有接口层的接口很容易形成。这被认为是因为主要是由界面氧化形成的GEO_2是不稳定的，并且大量扩散到高K膜中，并分为气相。 SIMS测量结果表明，检测到GE在绝缘膜中扩散，在Y_2O_3/GE的情况下，这尤其明显，这表明可以在界面形成含有Y和GE的复合氧化物。也就是说，在控制GE的界面反应中，高K材料的选择变得越来越重要。