次世代半導体ゲート絶縁膜用の高誘電率材料における欠陥構造と絶縁破壊機構の解明

阐明下一代半导体栅极绝缘膜高介电常数材料中的缺陷结构和介电击穿机制

基本信息

批准号：
13J03090
负责人：
森本貴明
金额：
$ 1.41万
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：
2013
资助国家：
日本
起止时间：
2013-04-01 至 2015-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

MOS-FET、IGBT等のパワーデバイスの高耐圧化を目的として、誘電率が高い(High-k)材料をゲート絶縁膜に適用して膜厚を厚くすることが検討されている。High-k材料の一つであるYAlO3は、誘電率とバンドギャップエネルギーが高く、さらに昨年度の研究からLaAlO3より熱や光に対して安定であることが分かっているため、ゲート絶縁膜材料として有望である。一方、昨年度の研究からは、イオン照射を行うと、結晶性の低下に加え、格子間隔変化によるXRDピーク位置シフト、局在準位生成によるバンドギャップ近傍の光吸収増加が起こる事も分かった。そこで、本年度は、これらの変化がフォトルミネッセンス(PL)に如何なる影響を及ぼすか調べた。本材料からは、不純物としてのCr3+、Er3+、格子欠陥としての酸素空孔、自己束縛励起子(STE)、アンチサイト欠陥など多種の欠陥によるPLが見られる。そのうち、STE、Er3+、アンチサイト欠陥のPLはイオン照射を行うと完全に消滅する。これらのPLは、伝導帯付近の準位からの電子の遷移に起因して生じる。よって、イオン照射によりバンドギャップ近傍に局在準位が生じると、それがPLを生じる準位を覆い隠すために発光が消える。一方、Cr3+のPLは、強度が減少するものの消滅はしない。このPLは、Cr3+が酸素原子による8面体配位子場中に存在することにより、3d軌道の縮退が変化してR-line準位が出現した結果、生じる発光である。よって、結晶性低下に伴い配位子場が崩れることによりPL強度が減少する。また、これらのPLと対照的に、結晶性と関係なく生じる酸素空孔のPLは、結晶性が低下しても強度減少しない。以上のように、イオン照射により受ける影響は、PLを生じる欠陥の存在形態や電子遷移の種類によって異なることが明らかになった。

为了提高MOS-FET、IGBT等功率器件的耐压，正在考虑通过在栅极绝缘膜上应用高k材料来增加栅极绝缘膜的厚度。 YAlO3是高k材料之一，具有高介电常数和带隙能量，去年的研究表明，它比LaAlO3对热和光更稳定，因此作为栅极绝缘膜材料很有前景。。另一方面，去年的研究表明，离子照射会导致结晶度降低，由于晶格间距的变化而导致 XRD 峰值位置的移动，以及由于产生局域化而导致带隙附近的光吸收增加。水平。因此，今年，我们研究了这些变化如何影响光致发光（PL）。在该材料中，由于杂质Cr3+和Er3+、作为晶格缺陷的氧空位、自束缚激子(STE)和反位缺陷等各种缺陷而观察到PL。其中，STE、Er3+、反位缺陷的PL被离子辐照完全消除。这些 PL 是由于电子从导带附近的能级跃迁而发生的。因此，当由于离子照射而在带隙附近产生局域能级时，该局域能级掩盖了引起PL的能级，从而发光消失。另一方面，Cr3+的PL虽然强度降低，但并未消失。这种 PL 是由于氧原子八面体配体场中 Cr3+ 的存在而发生的光发射，导致 3d 轨道简并性的变化和 R 线能级的出现。因此，随着结晶度的降低，配体场的崩溃导致PL强度降低。另外，与这些PL相比，无论结晶性如何而产生氧空位的PL，即使结晶性降低，其强度也不会降低。如上所述，明确了离子照射的效果根据引起PL的缺陷的存在形式和电子跃迁的类型而不同。