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Metal/High-$$k$$/Geゲートスタックにおけるジャーマナイド形成とその電気特性への影響

Germanide formation in metal/high-$$k$$/Ge gate stacks and its impact on electrical properties

細井 卓治*; 秀島 伊織*; 箕浦 佑也*; 田中 亮平*; 吉越 章隆; 寺岡 有殿; 志村 考功*; 渡部 平司*

Hosoi, Takuji*; Hideshima, Iori*; Minoura, Yuya*; Tanaka, Ryohei*; Yoshigoe, Akitaka; Teraoka, Yuden; Shimura, Takayoshi*; Watanabe, Heiji*

高性能Geデバイスの実現には、1nm以下のSiO$$_{2}$$換算膜厚(Equivalent Oxide Thickness: EOT)と良好な界面特性を両立するmetal/high-$$k$$ゲートスタック技術の確立が不可欠である。high-$$k$$/Geゲートスタックの特性劣化の要因として、high-$$k$$膜形成や熱処理工程におけるGeO$$_{x}$$界面層の意図しない形成や分解、Ge原子のhigh-$$k$$膜中への拡散が指摘されているが、その詳細はわかっていない。そこで本研究では、真空中で連続して作製したmetal/HfO$$_{2}$$/GeO$$_{x}$$/Geスタックの熱的構造変化を光電子分光法によりその場分析することで、ジャーマナイド形成やGeO$$_{x}$$層の還元反応を詳細に評価するとともに、電気特性との相関を調べた。室温であってもGe基板上の金属HfはHfジャーマナイドを形成し、HfO$$_{2}$$膜上へのAl堆積はGeO$$_{x}$$界面層を還元してAlジャーマナイドを形成することがわかった。優れた電気特性の実現にはこれらのジャーマナイド形成を回避することが重要であり、そのためにはHfO$$_{2}$$膜形成には酸化力の強いプラズマ酸化を行い、ゲート電極には反応性の低い金属を用いることが有効である。

An understanding of the mechanisms responsible for formation or decomposition of GeO$$_{x}$$ interlayer and Ge diffusion into high-$$k$$ layer is important to develop advanced metal/high-$$k$$ gate stacks for Ge MOSFETs. In this work, we fabricated HfO$$_{2}$$/GeO$$_{x}$$/Ge gate stacks by ${it in situ}$ oxidation of thin metal Hf layers on Ge substrates. The effect of plasma oxidation on the change in the bonding states of Ge atoms in HfO$$_{2}$$/GeO$$_{x}$$/Ge gate stacks and the structural changes induced by metal electrode deposition and thermal annealing was systematically investigated by synchrotron radiation photoemission spectroscopy (SR-PES) and electrical characterization.

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