高温熱処理によるTiN/HfLaSiO/SiO_2ゲートスタック中Hf及びLa原子のTiN電極中への拡散とMIPS構造による抑制

摘要

We investigated Hf and La upward diffusion in TiN/HfLaSiO/SiO_2 gate stacks by means of electrical characterization and XPS analysis. TiN/HfLaSiO/SiO_2 gate stacks annealed at temperatures above 900℃ show an increase in EOT due to the SiO_2 growth and Hf and La diffusion into the TiN electrode. In contrast, poly-Si/TiN/HfLaSiO/SiO_2 gate stacks maintain thin EOT of around 1 nm and suppress the Hf and La upward diffusion. To clarify the origin of the Hf and La upward diffusion, we also fabricated poly-Si/TiON/HfSiO/SiO_2 gate stacks and revealed that SiO_2 growth during high-temperature annealing induces Hf and La upward diffusion.%ゲートファーストプロセスによるMetal/High-kスタックの実現に向け、TiN/HfLaSiO/SiO_2ゲートスタックに高温熱処理を施し、High-k膜構成元素の拡散挙動を電気特性評価とXPS分析により調べた。TiN/HfLaSiO/SiO_2スタックに900℃以上の熱処理を施すと、High-k膜中Hf及びLa原子がTiN電極中に拡散する一方で、POly-Si/TiN/HfLaSiO/SiO_2スタックでは1000℃の熱処理後も薄いEOTを維持し、さらにHf及びLa原子の上方拡散を抑制できることが分かった。これらの拡散の物理的な起源を、TiN電極中に酸素を導入したゲートスタック構造を用いて調べ、熱処理時のSiO_2の増膜がHf及びLa原子の上方拡散を誘起することを明らかにした。