[論文レビュー] An Investigation into the $HfO_2/Si$ Interface: Materials Science Challenges and their Effects on MOSFET Device Performance

Aditya Muralidharan|arXiv (Cornell University)|Jun 20, 2022

Semiconductor materials and devices被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、MOSFETにおけるHfO₂/Si界面における界面的SiO₂層形成の熱力学的および動力学的メカニズムを調査し、主に結晶粒界を沿った酸素拡散およびSiO種の拡散が主な原因であると特定した。制御された窒素アニール処理および最適化されたALDプロセスを用いることで、中間層の成長を抑制でき、EOTおよび漏れ電流を低減するとともに、高い移動度としきい値電圧の安定性を維持できることを示した。

ABSTRACT

Since the 1960's when Gordon Moore proposed that the transistor density in our electronic devices should double every two years while the cost is halved, the semiconductor industry has taken this statement to heart. Over the last few decades, no other industry has seen growth even comparably close to that experienced by the semiconductors industry. This has all been made possible by the unbroken string of ingenious breakthroughs by brilliant minds that have been working tirelessly to shrink down transistors. The latest of which is the use of high-k dielectrics and a return to metal gates combined with 3D-transistor architectures. This has been the enabling technology for the transition from the 90 nm node to the 45 nm node, allowing us to shrink our transistors further without losing additional gate control. The fundamental reason for using a high-k gate dielectric compared to SiO2 is that shrinking our gate oxide further, which is already at a few angstroms, is no longer a feasible option to gain additional gate control. High-k dielectric overcome this by exploiting the fundamental physics of capacitors and the materials science of dielectrics to provide a viable option to increase gate control without the need for successively thinner gate oxides. Hafnium Oxide is the most studied and popular of such materials. Its high dielectric constant ~16-25 and interface stability with silicon at operating temperatures make it an ideal candidate for use in current CMOS technology. Despite its deceivingly simple appearance, the processes involved in the fabrication of such high-k HfO2/Si interfaces are full of process subtleties and nuances. In this term paper we hope to explore the physics and materials science of these high-k HfO2/Si interfaces, discussing the challenges and ways to overcome them when it comes to its actual fabrication, and how this ultimately affects our device performance.

研究の動機と目的

• 高温処理中のHfO₂/Si界面におけるSiO₂中間層形成の背後にある熱力学的および動力学的要因を理解すること。
• 高k HfO₂ MOSFETにおけるEOTの劣化およびデバイス特性の低下を引き起こす中間層成長の根本的要因を同定すること。
• アニール雰囲気、酸素流量、および堆積法（PEALD 対 トランジスタALD）などのプロセスパラメータが中間層形成をどのように抑制できるかを評価すること。
• HfO₂ベースのMOSFETにおける中間層厚さおよび欠陥密度とゲート漏れ電流およびしきい値電圧シフトの相関関係を特定すること。
• 45nmノード以降のCMOSスケーリングを継続するためのHfO₂/Si界面最適化のための材料科学的フレームワークを提供すること。

提案手法

• HfO₂/Si系の安定性を評価するため、ギブズ自由エネルギー（ΔG₀ = 227.9 kJ/mol）を用いた熱力学的解析を実施し、中間層形成の主な原因としての熱力学的駆動力の除外を確認した。
• 相図の解析により、約1700 Kまでの界面安定性を評価し、安定性そのものが中間層成長を説明できないことを示した。
• 特に多結晶HfO₂における結晶粒界を沿った酸素拡散経路を調査し、陽性の酸素バナディティがイオン移動を促進することを特定した。
• 酸化雰囲気下で界面におけるSiO種の拡散が、中間層形成に寄与する要因であることを評価した。
• プラズマ強化ALD（PEALD）と熱的ALDで堆積したHfO₂膜の漏れ電流およびスイッチング特性を比較し、非アモルファス構造が漏れ電流を低減する要因であると関連づけた。
• 堆積中の窒素雰囲気アニールおよび酸素流量の影響を、中間層厚さおよび欠陥の不活性化の観点から評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高温処理中のHfO₂/Si界面におけるSiO₂中間層形成の主な熱力学的および動力学的駆動要因は何か？
• RQ2 結晶粒界を沿った酸素拡散およびSiO種の移動度が、多結晶HfO₂における中間層成長にどのように寄与するか？
• RQ3 窒素雰囲気アニールまたは堆積中の制御された酸素流量によって、中間層厚さおよび漏れ電流はどの程度低減可能か？
• RQ4 HfO₂の結晶構造（アモルファス対多結晶）は、ゲート漏れ電流および欠陥密度にどのように影響を与えるか？
• RQ5 中間層形成（EOTの増加）とそのキャリア移動度およびしきい値電圧安定性への有益な効果とのトレードオフは何か？

主な発見

• 熱力学的不安定性ではなく、多結晶HfO₂における結晶粒界を沿った酸素拡散（陽性酸素バナディティが促進）が、中間層形成の主なメカニズムである。
• 酸化雰囲気下のアニール処理では酸素拡散が促進され、中間層厚さが増加し、EOTの増加およびゲート漏れ電流の上昇と直接相関した。
• 窒素雰囲気アニールは、中間層形成および漏れ電流を顕著に低減した。これはHfO₂および中間層の部分的窒化が酸素移動性を抑制したためと考えられる。
• PEALD堆積によるHfO₂膜は、非アモルファス構造のおかげで、欠陥パスウェイを最小限に抑えることで、熱的ALD膜に比べて優れた漏れ特性を示した。
• 堆積中の制御された酸素流量により、酸素バナディティが結晶粒界で消失し、それによって電子伝導パスウェイが遮断された。
• アニールサイクルは、欠陥の消失およびトラップ不活性化により、ゲート漏れ電流を数桁低減できた。特に窒素雰囲気アニールが顕著な効果を示した。