La2O3/HfO2/SiO2積層絶縁膜Si-MOSキャパシタのフラットバンド電圧の測定

Flatband voltage measurements of Si-MOS capacitors with

La2O3/ HfO2/SiO2 multi-stacked gate dielectrics

○福井僚1, 中村嘉基1, 角嶋邦之2, 片岡好則2,西山彰2,

若林整2, 杉井信之2, 筒井一生2, 名取研二1, 岩井洋1

東工大フロンティア1,東工大総理工2

○R. Fukui 1, Y. Nakamura1 K. Kakushima2,Y. Kataoka2,A. Nishiyama2,

H. Wakabayashi2, N. Sugii2, K. Tsutsui2, K. Natori1, H. Iwai1

E-mail: fukui.r.aa@m.titech.ac.jp

1

High-k絶縁膜導入によるVfb制御の課題

High-k絶縁膜導入ゲート容量を保ったまま膜厚を増加

リーク電流を抑制さらなるスケーリングが可能

High-k/SiO2界面にダイポールが形成

閾値の制御が困難

High-k絶縁膜に閾値調整用の元素を添加

ダイポールの向き、大きさを変調しVfbを制御できる

Alを用いることで移動度が低下

T. Ando. et al, IEDM 2009, p423Alを用いずにVfbを正方向にシフトする手法が必要

同じゲート容量

2

High-k絶縁膜におけるVfbシフトの要因

High-k/SiO2界面のダイポールと固定電荷が支配的

W/High-k界面やHfO2/La2O3界面は影響なし

先行研究

Vfbのシフト

K.Okamoto. et al, ESSDRC 2008, p199

3

High-k/SiO2 MOSキャパシタにおけるVfbのモデル化

)(1

][

///

0

/

0

//

22

2222

SiSiOSiOkhighMetalkhigh

ms

ox

SiOSiOkhigh

ox

iSSiOSiOkhigh

fb

q

q

EOTQQQEOTV

・

Vfbのシフトを決める主要なパラメータ

4

本研究の目的

SiO2/La2O3/HfO2構造を積層することでVfbシフトの制御を目指す

正のVfbシフト

負のVfbシフト

5

逆方向のダイポール

SiO2/La2O3/HfO2

正のVfbシフト

同方向のダイポール

実験プロセス

n-type Si substrate

SPM, HF treatment

Thermally grown SiO2

HfO2, La2O3, SiO2 deposition by EB evaporation at RT

Top electrode W deposition by RF sputtering (50nm)

Gate patterning (RIE)

Back electrode Al deposition

Annealing in F.G ambient at 420℃

measurement

in-situ

6

HfO2/SiO2とLa2O3/SiO2の界面ダイポールの同定

SiO2=7.3nmにおいてΔHfO2/SiO2－ΔLa2O3/SiO2=0.44V

SiO2/La2O3/HfO2挿入によるVfbのシフトは0.44Vと予測

7

HfO2/SiO2界面へのLa2O3挿入効果

La2O3を挿入したことによりVfbの0.2Vのシフトを確認

予測よりも小さいVfbシフト熱酸化とEBで製膜したSiO2の違いによるダイポールの大きさの変化

8

SiO2/La2O3/HfO2積層によるVfbシフトのセット数依存性

積層構造によりVfbシフトのセット数依存傾向を確認

9

3setにおけるTEM画像

10nm

想定よりも厚いSiO2による正の固定電荷の増加

3setにおけるVfbシフト量の減少

La2O3

HfO2

Si

SiO2

SiO2

SiO2

SiO2

まとめ

・ HfO2/SiO2とLa2O3/SiO2の界面ダイポールの同定ΔHfO2/SiO2−ΔLa2O3/SiO2 = 0.44V

・ HfO2/SiO2界面におけるLa2O3挿入効果を確認し、Vfbの0.2Vのシフトを確認

・ SiO2/La2O3/HfO2積層によるVfbのシフトのセット数依存傾向を確認

SiO2/La2O3/HfO2積層による閾値の制御目的

実験結果

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補足資料

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界面ダイポールの形成

界面ダイポールは、界面の酸素原子密度の違いによって、酸素原子が低密度側に移動することで生じる

酸素原子密度は材料の物性値に依存するためダイポールの向きや大きさは制御可能

K. Kita, et al., APL 94, 132902 (2009)

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HfO2/SiO2界面へのLa2O3挿入効果

13

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

-0.4 0 0.4 0.8 1.2 1.6

Gate voltage (V)

Cap

acit

an

ce d

en

sit

y (

F/c

m2)

W/HfO2/SiO2/nSi

1.0 nm

HfO2

SiSiO2

W

La2O3

HfO2

SiSiO2

W

La2O3

(0.27 nm)(0.25 nm)

(0.11 nm)

1ML以下の膜厚挿入でもVfbのシフトを確認

3setにおけるTEM画像

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