金属電極/高誘電率絶縁膜界面の物理を中心としたhigh-k/metalゲートスタックの実効仕事関数変調機構の理解

摘要

p型電極/高誘電率絶縁膜ゲートスタックでは，電極材料がpoly-Siもしくは金属に関わらず，ソース/ドレイン活性化アニールなどの高温熱処理後にその実効仕事関数が大きく低下してしまうことが知られている．このフェルミレベルピニングと呼ばれる現象は，high-k膜中に酸素空孔が形成されることによって生じるhigh-k/電極界面のダイポールが原因と考えられている．本研究では，酸素空孔起因の欠陥準位から電極側への電子移動のエネルギー利得や，ゲートスタック中に存在する炭素やシリコンなどの強い還元力を有する元素の存在が酸素空孔形成の駆動力であることを実験的に検証し，ゲートファーストhigh-k/metalゲートスタックの実効仕事関数制御に向けた指針を示した．%Effective work function of p-type gate electrodes on Hf-based high-k dielectrics is known to decrease after high temperature source/drain activation annealing for either poly-Si or metal gate. This effective work function change, called Fermi level pinning, is considered to be due to an interface dipole formation at high-k/ electrode interface originating from oxygen vacancy (V_o) generated in high-k layer. In this work, we experimentally verified that an energy gain of electron transfer from V_o defect level in high-k to electrode and reductant elements in high-k/metal gate stacks such as carbon an silicon atoms dominate V_o formation kinetics, and developed a guiding principle for gate-first high-k/metal gate stacks to control the effective work function.