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。

在本研究中，我们比较了HfO_2/Si和Y_2O_3/Si两种体系作为高k氧化膜（高k膜）和Si之间的界面，并研究了界面反应机理和反应路线。前者是在界面观察到Si氧化的例子，后者是观察到硅酸盐反应的例子。 2004年，我们在HfO_2/Si界面反应的建模方面取得了进展，今年我们首次尝试开发该模型并定量解释Y_2O_3/Si界面反应。当界面间夹有SiO_2层的Y_2O_3/SiO_2/Si叠层在N_2中加热时,在600℃左右,由于硅酸盐反应,SiO_2层开始减少,900℃以上减少更加明显。然而，即使温度进一步升高，SiO_2层也不会消失，而是开始上升。这是由于残留氧而导致的氧化反应和硅酸盐反应之间的竞争。与HfO_2/Si的界面反应模型类似，我们应用了原子氧在失活的同时穿过界面层并到达界面的模型，发现随着界面层的减少和变薄，原子氧迅速移动，这可以可以通过氧失活速率的降低和氧化速率的增加来定量地解释。接下来，我们继续分析当基底改为Ge时的界面反应。这是因为近年来在具有高沟道迁移率的Ge上制造晶体管的尝试迅速引起了人们的关注。结果，在HfO_2/Ge和Y_2O_3/Ge两种情况下，通过N_2退火，界面层消失，并且很容易在Ge上形成没有界面层的界面。这被认为是因为主要由界面氧化形成的GeO_2不稳定并且大量扩散到高k膜中然后解吸到气相中。 SIMS测量的结果是，检测到Ge扩散到绝缘膜中，特别是在Y_2O_3/Ge的情况下，表明在界面处可能形成包含Y和Ge的复合氧化物。换句话说，高k材料的选择对于控制Ge的界面反应变得越来越重要。