TiN電極中の酸素に起因したHf系High-kゲート絶縁膜の特性劣化

摘要

Effective work function control and equivalent oxide thickness (EOT) scaling are the major concerns for implementing metal/high-k gate stacks with gate-first process. In addition to interfacial SiO_2 growth, it has been reported that metal elements such as Hf and La atoms in high-k layers diffuse into gate electrode after high-temperature activation annealing. In this work, we have investigated the Hf diffusion kinetics in TiN/HfSiO gate stacks. The Hf upward diffusion is found to be independent of interfacial SiO_2 growth, but depends on the amount of oxygen in the gate stacks. It is also revealed that, when the TiN electrode contains a certain amount of oxygen, Hf diffusion into TiN occurs at above 650℃ and leads to high-k degradation.%ゲートファーストmetal/high-kスタックの課題として,実効仕事関数の制御とEOTスケーリングが挙げられる.TiN/Hf系high-kゲートスタックでは,高温熱処理による界面SiO_2層の增膜に加えて,HfやSiといった元素がTiN電極中に拡散し,high-k膜が低誘電率化することが知られている.一方で,poly-Siキャップ層を有するMIPS構造ではHf拡散が見られないなど,その拡散メカニズムは未だ明らかとなっていない.本研究では,TiN電極中に意図的に酸素を添加したゲートスタックを用いて,上方拡散するHf原子の量がTiN電極中の酸素量に依存すること,またHf拡散が界面SiO_2層の增膜よりも低温の650℃で起きることを明らかにした.