赤外線分光を用いたランタン系高誘電率ゲート絶縁膜の歪み評価
集積回路を構成する電界効果トランジスタ（MOSFET）は、継続的な微細化によって高速化と低消費電力化が行われてきており、現在 3 nm 技術まで達している1)。MOSFET の代表するパラメータにゲート長があるが、不用意にゲート長を短くしてしまうとゲート電極によるスイッチ動作の制御性が劣化し、MOSFET をオフにしても漏れ電流が高くなる課題が生じる2)。そのため、微細化を可能とするにはリソグラフィー、加工精度、ドーピング、ゲート絶縁膜形成などの総合的な技術が必要になり、現在ゲート電極による MOSFET 動作の制御性を向上するために3次元構造が採用されている3)。ところで、ゲート電極による制御性を向上するための一つの方法として、ゲート絶縁膜の静電容量を大きくする方法がある。ゲート絶縁膜材料は長いこと Si 基板を酸化して形成した SiO2 膜（比誘電率3.9）が用いられてきたが、原子数層分に対応する 1.2 nm 程度の膜厚まで薄膜化が行われた結果、ゲート電極からの漏れ電流が増大することとなった4)。そのため、誘電率の高い誘電率材料をゲート絶縁膜として用いることで膜厚が 3～4 nm であったとしても SiO2 膜よりも静電容量を大きくすることができ、等価的に SiO2 に換算したゲート絶縁膜の膜厚（equivalent oxide thickness,EOT）を薄膜化する技術が導入されるようになり、現在も用いられている5)。高誘電率材料の選択にあたっては一般的にバンドギャップと比誘電率にトレードオフの関係があること、比誘電率が高すぎる場合は、ドレインからの電気力線の侵入によって逆にゲートの制御性を劣化することがあるため、比誘電率は 15～40 あたりを目指すことが多い6)。また、これらのゲート絶縁膜材料は堆積によって形成する必要があるため、Si 表面との界面特性、MOSFET の電子/正孔の移動度に大きな影響を与えることとなる。様々な材料とプロセスの開発の結果、膜厚 1 nm 以下の SiOx 系の界面層上に形成した Hf 系のゲート絶縁膜が広く利用され始め、異種元素のドーピングで絶縁性能や機能向上がなされ続けている。筆者は Hf 系のゲート絶縁膜の次の世代の絶縁膜として希土類系材料の可能性について着目し、特に界面層を有しない Si に直接接合した La 系のゲート絶縁膜について検討しており、電気特性に加えて、膜の物理的な描像を理解するための物理分析を行ってきた7), 8)。本稿では La 酸化膜（La2O3 膜）と Si の界面反応によって形成される La シリケート膜について、まずシリケートの分子構造について述べたあと、熱処理温度による構造変化と電気特性への影響について概説する。
1) Shien-Yang Wu, C.H. Chang, M.C. Chiang, C.Y. Lin, J.J. Liaw, J.Y. Cheng, J.Y. Yeh, H.F. Chen, S.Y. Chang, K.T. Lai, M.S. Liang, K.H. Pan, J.H. Chen, V.S. Chang, T.C. Luo, X. Wang, Y.S. Mor, C.I. Lin, S.H. Wang, M.Y. Hsieh, C.Y. Chen, B.F. Wu, C.J. Lin, C.S. Liang, C.P. Tsao, C.T. Li, C.H. Chen, C.H. Hsieh, H.H. Liu, P.N. Chen, C.C. Chen, R. Chen, Y.C. Yeo, C.O. Chui, W. Chang, T.L. Lee, K.B. Huang, H.J. Lin, K.W. Chen, M.H. Tsai, K.S. Chen, X.M. Chen, Y.K. Cheng, C.H. Wang, W. Shue, Y. Ku, S. M. Jang, M. Cao, L.C. Lu, T.S. Chang, Tech. Digest of IEDM, 639 (2022).
2) Y. Taur, G. J. Hu, R. H. Dennard, L. M. Terman, C-Y. Ting, K. E. Petrillo, IEEE Trans. on Electron Devices, 32, 203 (1985).
3) C.-H. Jan, U. Bhattacharya, R. Brain, S.-J. Choi, G. Curello, G. Gupta, W. Hafez, M. Jang, M. Kang, K. Komeyli, T. Leo, N. Nidhi, L. Pan, J. Park, K. Phoa, A. Rahman, C. Staus, H. Tashiro, C. Tsai, P. Vandervoom, L. Yang, J.-Y. Yeh, P. Bai, Tech. Digest of IEDM, 44 (2012).
4) R. Chau, S. Datta, M. Doczy, J. Kavalieros, M. Metz, Tech. Digest of IWGI, 124 (2003).
5) K. Mistry, C. Allen, C. Auth, B. Beattie, D. Bergstrom, M. Bost, M. Brazier, M. Buehler, A. Cappellani, R. Chau, C.-H. Choi, G. Ding, K. Fischer, T. Ghani, R. Grover, W. Han, D. Hanken, M. Hattendorf, J. He, J. Hicks, R. Huessner, D. Ingerly, P. Jain, R. James, L. Jong, S. Joshi, C. Kenyon, K. Kuhn, K. Lee, H. Liu, J. Maiz, B. McIntyre, P. Moon, J. Neirynck, S. Pae, C. Parker, D. Parsons, C. Prasad, L. Pipes, M. Prince, P. Ranade, T. Reynolds, J. Sandford, L. Shifren, J. Sebastian, J. Seiple, D. Simon, S. Sivakumar, P. Smith, C. Thomas, T. T roeger, P. Vandervoorn, S. Williams, K. Zawadzki. Tech. Digest of IEDM, 247 (2007).
6) John Robertson 2006 Rep. Prog. Phys. 69 327
7) K. Kakushima, K. Tachi, M. Adachi, K. Okamoto, S. Sato, J. Song, T. Kawanago, P. Ahmet, K. Tsutsui, N. Sugii, T. Hattori, H. Iwai, Solid-State Electron., 54, 715 (2010).
8) K. Kakushima, K. Tachi, J. Song, S. Sato, H. Nohira, E. Ikenaga, P. Ahmet, K. Tsutsui, N. Sugii, T. Hattori, H. Iwai, J. Appl. Phys., 106, 124903 (2009).
