[論文レビュー] Properties and characterization of ALD grown dielectric oxides for MIS structures

Sylwia Gierałtowska, D. Sztenkiel+8 more|arXiv (Cornell University)|Jul 27, 2011

Semiconductor materials and devices被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、金属-絶縁体-半導体（MIS）構造における原子層エピタキシー法で成長した（ALD）Al2O3およびHfO2絶縁体酸化物を調査し、40–100 nm 厚で非アモルファスかつ超平坦な層が高品質な絶縁体バリアを実現できることを示した。最良のデバイスは77 Kで約3 MV/cmの電界に耐えられ、漏れ電流が1 nA未満であり、希釈された強磁性半導体における微磁性特性の効果的制御を可能にした。

ABSTRACT

We report on an extensive structural and electrical characterization of under-gate dielectric oxide insulators Al2O3 and HfO2 grown by Atomic Layer Deposition (ALD). We elaborate the ALD growth window for these oxides, finding that the 40-100 nm thick layers of both oxides exhibit fine surface flatness and required amorphous structure. These layers constitute a base for further metallic gate evaporation to complete the Metal-Insulator-Semiconductor structure. Our best devices survive energizing up to ~3 MV/cm at 77 K with the leakage current staying below the state-of-the-art level of 1 nA. At these conditions the displaced charge corresponds to a change of the sheet carrier density of 3 imes 1013 cm-2, what promises an effective modulation of the micromagnetic properties in diluted ferromagnetic semiconductors.

研究の動機と目的

• MIS構造におけるAl2O3およびHfO2絶縁体の最適なALD成長窓を確立すること。
• 金属ゲート統合に適した高品質で非アモルファスかつ超平坦な絶縁体層を実現すること。
• 低温下における高電界下での電気的耐性を評価し、スピントロニクス素子への応用可能性を検討すること。
• 絶縁体制御による希釈強磁性半導体におけるキャリア密度の効果的制御可能性を評価すること。

提案手法

• 40–100 nmの厚さのAl2O3およびHfO2層を原子層エピタキシー法（ALD）で成長させた。
• 構造的特徴評価により、堆積した酸化物の非アモルファス性および表面平坦度が確認された。
• 電気的特徴評価として、77 Kでの高電界ストレス試験を実施し、破壊強度と漏れ電流を評価した。
• 高電界下でのシートキャリア密度の変化を測定し、制御能力を評価した。
• デバイスは金属-絶縁体-半導体（MIS）構造として作製され、酸化物堆積後に蒸着法で金属ゲートを形成した。
• 信頼性および性能限界を特定するため、絶縁体の破壊および漏れ電流をモニタリングした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MIS構造における高品質なAl2O3およびHfO2絶縁体を実現するための最適なALD成長窓は何か？
• RQ2 40–100 nmの厚さ範囲におけるALD法で成長したAl2O3およびHfO2の構造的および電気的特性はどのように変化するか？
• RQ3 77 Kでの高電界に耐える際、顕著な漏れや破壊を示さずにどの程度の電界に耐えうるか？
• RQ4 高電界の適用が、希釈強磁性半導体におけるキャリア密度に測定可能な変化を引き起こすか？これはキャリア制御の可能性を示唆するか？
• RQ5 漏れ電流が1 nA未満を維持する条件下で、これらの絶縁体が耐えうる最大電界強度は何か？

主な発見

• 40–100 nmの厚さ範囲におけるALD法で成長したAl2O3およびHfO2層は、優れた表面平坦度と安定した非アモルファス構造を示した。
• 最良のデバイスは77 Kで約3 MV/cmの電界に耐え、漏れ電流が1 nA未満であった。
• 電界誘起によるシートキャリア密度の変化として3 × 10^13 cm⁻²の変化が観測され、効果的な制御能力が示された。
• 酸化物の非アモルファス性は全厚さ範囲にわたり保持されており、均一な絶縁体挙動を支持した。
• 金属ゲートの後続堆積と相性が良く、完全なMIS構造の作製が可能であった。
• 低温下での電気的耐性は、高度なスピントロニクスおよび量子デバイスへの応用可能性を支持した。