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論文

Comprehensive study and design of scaled metal/high-$$k$$/Ge gate stacks with ultrathin aluminum oxide interlayers

淺原 亮平*; 秀島 伊織*; 岡 博*; 箕浦 佑也*; 小川 真吾*; 吉越 章隆; 寺岡 有殿; 細井 卓治*; 志村 考功*; 渡部 平司*

Applied Physics Letters, 106(23), p.233503_1 - 233503_4, 2015/06

 被引用回数:20 パーセンタイル:63.98(Physics, Applied)

サブnmの換算酸化膜厚を有する高性能金属/high-$$k$$/Geゲートスタック構造とその界面特性の改善を酸化アルミニウム中間層を使った界面反応制御によって実現した。物理および電気的な複合評価によってAlOx界面層の諸特性やプラズマ酸化などの詳細な関係を明らかにした。

論文

極限EOT実現に向けた極薄AlO$$_{x}$$層によるHigh-$$k$$/Geゲートスタック界面制御

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

第19回ゲートスタック研究会予稿集, p.5 - 8, 2014/01

It has recently been demonstrated an excellent Ge-MOSFET operation with an EOT of 0.76 nm using HfO$$_{2}$$/Al$$_{2}$$O$$_{3}$$/GeO$$_{x}$$/Ge gate stack. However, the role of Al$$_{2}$$O$$_{3}$$ layer in high-$$k$$/Ge stack is not well understood. In this work, we systematically investigated an effect of AlO$$_{x}$$ interlayer on thermal stability and EOT scaling focusing on the Ge diffusion into an overlying HfO$$_{2}$$ layer by means of X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and electrical characterization. It was found that ultrathin AlO$$_{x}$$ interlayer effectively suppresses the metal germanate formation in the high-$$k$$/Ge stack, thus obtaining good electrical properties. An EOT of 0.56 nm with significantly reduced gate leakage was successfully obtained for Pt/HfO$$_{2}$$/AlO$$_{x}$$/GeO$$_{x}$$/Ge gate stack.

論文

Ge diffusion and bonding state change in metal/high-$$k$$/Ge gate stacks and its impact on electrical properties

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

Microelectronic Engineering, 109, p.137 - 141, 2013/09

 被引用回数:11 パーセンタイル:54.45(Engineering, Electrical & Electronic)

Ge diffusion and chemical bonding states in metal/high-$$k$$/Ge gate stacks were investigated by synchrotron photoemission spectroscopy to understand their impact on electrical properties. Although Hf germanide was found in HfO$$_{2}$$/GeO$$_{x}$$/Ge gate stacks, such germanide could be fully oxidized by using plasma-assisted oxidation. However, Al electrode on HfO$$_{2}$$/GeO$$_{x}$$/Ge stacks reduced interfacial GeO$$_{x}$$ layer, resulting in the formation of Al germanide at the Al/HfO$$_{2}$$ interface. No germanide was formed in the stacks with inert Pt electrode, suggesting the Al layer may promote upward diffusion of GeO molecules through the HfO$$_{2}$$ layer. Hf germanide was formed near the HfO$$_{2}$$/GeO$$_{x}$$ interface probably due to Ge intermixing with the HfO$$_{2}$$ layer in the Pt-gate stacks, in contrast to the enhanced formation of Al germanide in Al-gate stacks. The formation of metal germanide led to severe degradation of insulating properties in metal/high-$$k$$/Ge stacks.

論文

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

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*

信学技報, 113(87), p.19 - 23, 2013/06

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。

口頭

極薄EOT実現に向けたプラズマ窒化応用high-k/Geゲートスタックの提案

朽木 克博*; 岡本 学*; 秀島 伊織*; 上西 悠介*; 桐野 嵩史*; Harries, J.; 吉越 章隆; 寺岡 有殿; 細井 卓治*; 志村 考功*; et al.

no journal, , 

高性能Geデバイスの実現には、高誘電率絶縁膜形成とその界面制御技術の確立が必須である。ZrO$$_{2}$$薄膜をGe基板上に堆積し、その後熱酸化処理を施したスタックは、優れたMOS界面特性を示す一方で、GeO$$_{2}$$界面層が形成されることにより等価SiO$$_{2}$$換算膜厚(EOT: Equivalent Oxide Thickness)が2nm以上となってしまう。本研究では、高密度プラズマ窒化により形成したGe$$_{3}$$N$$_{4}$$膜の優れた熱的安定性・耐酸化性に注目し、ZrO$$_{2}$$/Ge3N$$_{4}$$/Ge構造を作製し、熱処理後の界面構造について大型放射光施設SPring-8のBL23SUを用いて光電子分光法により評価した。Ge3d及びN1s内殻準位スペクトルの高分解能測定から、823Kの熱酸化処理によって界面Ge$$_{3}$$N$$_{4}$$層はわずかに酸化するものの安定に存在することを確認し、また1.8nmのEOTを実現した。

口頭

MBD法により作製したMetal/High-k/GeO$$_{2}$$/Geスタックの熱処理による構造変化

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

no journal, , 

本研究ではAl/HfO$$_{2}$$/GeO$$_{2}$$/Ge構造を作製し、熱処理による構造変化を放射光光電子分光法によりその場分析した。熱処理前にGe3sスペクトルおいて基板のGeよりも低結合エネルギーにAl-Ge結合に帰属すると考えられる成分を見いだした。Ge3sスペクトルのGe酸化物成分及びAl-Ge成分の熱処理温度依存性の結果から、300$$^{circ}$$C以上の熱処理でAl電極中へGeO分子が拡散し、Al-Ge結合が増大すると解釈した。

口頭

極薄AlO$$_{x}$$層によるHigh-$$k$$/Ge界面反応抑制とEOT=0.56nmの実現

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

no journal, , 

本研究ではGe系電子デバイスの電界効果トランジスタにおけるHigh-$$k$$/Ge界面反応の抑制を目的として、極薄Al$$_{2}$$O$$_{3}$$膜を挿入したHfO$$_{2}$$/Al$$_{2}$$O$$_{3}$$/GeO$$_{x}$$/Geスタックを作製し、放射光光電子分光法による構造評価並びに電気特性評価を行った。比較として、1nmの金属Hf膜をGe基板上に直接堆積後、300$$^{circ}$$Cでプラズマ酸化を施したPt/HfO$$_{2}$$/GeO$$_{x}$$/Geスタックも作製した。AlO$$_{x}$$界面層を挿入することで、界面GeO$$_{x}$$層の薄層化に加え、Hf-Ge結合の形成が顕著に抑制された。また、Pt/HfO$$_{2}$$/Al$$_{2}$$O$$_{3}$$/GeO$$_{x}$$/Ge構造では、周波数依存性のほとんどない良好なC-V曲線が得られ、0.56nmの極薄EOTを実現した。極薄AlO$$_{x}$$界面層はHf-Ge結合の形成を効果的に抑制し、High-$$k$$/Geスタックの電気特性向上に有用であると結論した。

口頭

High-k/Ge gate stack with an EOT of 0.56 nm by controlling interface reaction using ultrathin AlO$$_{x}$$ interlayer

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

no journal, , 

Metal/high-k gate stacks on Ge channel with less than 0.7 nm EOT must be developed to realize 15-nm-node CMOS devices. Recently, a Ge-MOSFET operation with 0.7 nm EOT has been demonstrated using a HfO$$_{2}$$/Al$$_{2}$$O$$_{3}$$/GeO$$_{x}$$/Ge gate stack formed by plasma oxidation through the HfO$$_{2}$$/Al$$_{2}$$O$$_{3}$$ stack. The plasma oxidation of HfO$$_{2}$$/Ge resulted in the relatively degraded insulating and interface properties. This suggests that underlying Al$$_{2}$$O$$_{3}$$ layer is beneficial in improving the high-k and GeO$$_{x}$$ interlayers. However, the role of Al$$_{2}$$O$$_{3}$$ layer in HfO$$_{2}$$/Al$$_{2}$$O$$_{3}$$/GeO$$_{x}$$/Ge stack is not well understood. We systematically investigated an effect of AlO$$_{x}$$ interlayer on EOT scaling focusing on the Ge diffusion into the HfO$$_{2}$$ layer by synchrotron radiation photoemission spectroscopy and electrical characterization. We achieved 0.56 nm EOT with 5 orders of magnitude lower leakage current compared to the poly-Si/Si stack.

口頭

High-k/Geゲートスタック界面特性向上に向けたゲート電極形成後熱処理条件の検討

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

no journal, , 

近年、Al$$_{2}$$O$$_{3}$$層を挿入したHfO$$_{2}$$/Al$$_{2}$$O$$_{3}$$/GeO$$_{x}$$/Ge構造がEOT: 0.76nmで優れた動作を示す一方で、HfO$$_{x}$$/Ge構造では絶縁および界面特性の顕著な劣化が見られたことから、Al$$_{2}$$O$$_{3}$$層挿入によるHfO$$_{2}$$膜およびGeO$$_{x}$$膜の特性向上が見込める。本研究ではp型Ge(100)基板上にAl$$_{2}$$O$$_{3}$$/GeO$$_{x}$$/Ge構造を形成し、さらに室温で電子ビーム蒸着よりHfO$$_{x}$$を1nm堆積した。その後、室温でECRプラズマ酸化を行い、HfO$$_{2}$$/Al$$_{2}$$O$$_{3}$$/GeO$$_{x}$$/Ge構造を形成後、電極としてPtを3nm堆積した。一部試料にAuキャップ層を堆積してゲート電極加工を行い、作製したMOSキャパシタの電気特性評価を行った。3nmのPt電極越しに400$$^{circ}$$C/10分間の熱処理(PMA)及びAuキャップ層形成後に500$$^{circ}$$C/10分間の熱処理(Cap-PMA)を行った試料についてC-V特性を室温で測定した。キャップ層形成後に熱処理を行うことでEOTが増膜した。低温コンダクタス法により界面準位密度を算出したところ、2.4$$times$$10$$^{11}$$cm$$^{-2}$$eV$$^{-1}$$となり、熱酸化GeO$$_{2}$$/Ge界面に匹敵する良好な特性を示した。

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