第 61 回応用物理学会 青山学院大学相模原キャンパス 春季学術講演会 2014 年 3 月 18 日 ( 火曜日 ) La 2 O 3 /InGaAs 界面ラフネスに及ぼす ALD プロセスの影響 Impact of ALD process on La 2 O 3 /InGaAs interface roughness 大嶺洋 1,Dariush Hassan Zadeh 1, 角嶋邦之 2, 片岡好則 2, 西山彰 2, 杉井信之 2, 筒井一生 2, 名取研二 1, 岩井洋 1 東工大フロンティア研 1, 東工大院総理工 2 Hiroshi Omine 1,D. H. Zadeh 1,K. Kakushima 2,Y. Kataoka 2, A. Nishiyama 2,N. Sugii 2,K. Tsutsui 2,K. Natori 1,H. Iwai 1 Tokyo Tech. FRC 1,Tokyo Tech. IGSSE 2 E-mail: oomine.h.aa@m.titech.ac.jp
次世代 nmosfet に適した In 0.53 Ga 0.47 As 化合物半導体 現在の Si CMOS Strain Si High-k/Metal gate OI Substrate Fin-FET MOSFET の駆動電流向上 I v D, sat s 1 0 ox s WC v 0 1 1 V v E 0 inj eff Metal gate Higher-k In Direct Contact Si g V Ref: M. Shur, EDL, 23, pp. 511 (2002). th 高移動度チャネル材料 nmosfet pmosfet Higher-k In Direct Contact InGaAs chan. Higher-k In Direct Contact Ge chan. 駆動電流は 1. 注入速度, 2. 移動度の改善で向上できるゲート長 L g < 10nmでは注入速度 ( m t *) が支配的になる 高移動度チャネル材料を利用した MOSFET は 10nm 世代以降に期待される Si 2
Band gap (ev) 高移動度チャネル材料の選択 Si Ge InP GaAs In 0.53 Ga 0.47 As InAs electron mob. (cm 2 /Vs) 1600 3900 5400 9200 10000 40000 electron effective mass (/m 0 ) m t :0.19 m l :0.916 mt:0.082 mt:1.467 0.08 0.067 0.041 0.026 hole mob. (cm 2 /Vs) 430 1900 200 400 250 500 hole effective mass (/m 0 ) m HH :0.49 m LH :0.16 m HH :0.082 m LH :0.044 m HH :0.45 m LH :0.12 m HH :0.45 m LH :0.082 m HH :0.45 m LH :0.052 m HH :0.57 m LH :0.35 band gap (ev) 1.12 0.66 1.34 1.42 0.74 0.36 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 In 0.53 Ga 0.47 As 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Ga composition BTBT 短チャネル効果 ON 電流はそれぞれトレードオフの関係 Band gap, 電子の有効質量, 移動度と格子ミスマッチを考慮すると In 0.53 Ga 0.47 Asが最適である 3
High-k/InGaAs スタックの課題 [1] [2] [3] [4] Gate Metal High-k InGaAs 絶縁膜 Al 2 O 3 D it (ev -1 cm -2 ) 2.0x10 12 HfO 2 2.0x10 13 ZrO 2 2.0x10 12 La 2 O 3 7.0x10 11 化学反応的視点 デバイス特性の課題 プロセス温度 ( o C) 400 o C 400 o C - 570 o C As-Oxide 低温で形成される Ga-Oxide As-dimer, antisite High-k/InGaAs 界面の熱安定性低下界面準位密度 D it 増大 CET (nm) 1.0 0.8 0.83 0.78 [1] S. Takagi et al., 2012 IEDM [2] R. Suzuki et al., 2012 APL. [3] N. Goel et al., 2008 IEDM [4] D. H. Zade et al., 2013 IEDM 界面特性の向上は InGaAs デバイスでは重要 4
Intensity (a.u.) (10 nm) W HfO 2 InGaAs (10 nm) W La 2 O 3 と HfO 2 の界面反応の比較 As 2p 3/2 As-oxide Substrate Ga 2p 3/2 Substrate In 3d 5/2 Ga-oxide Ga-O-La In-oxide Substrate In-O-La La 2 O 3 InGaAs PMA@500 o C W gate 1328 1325 1322 1319 PMA@420 o C 1120 1118 Binding Energy (ev) W gate HfO 2 AsO x GaO x InOx In 0.53 Ga 0.47 As La 2 O 3 1116 446 445 444 443 PMA@420 o C HfO 2 + suboxides LaInGaO x In0.53 Ga0.47 As La 2 O 3 La 3.1 In 1.9 Ga 2.5 O 12 La 2 O 3 はInGaAsと反応し固有の結合状態を形成し SubOxideによる界面特性の劣化を防ぐ 5 IL Ref: D. H. Zadeh et al., SSDM 2013
ALD-La2O3/InGaAsゲートスタックの課題 高密度キャリアにおける移動度低下 界面ラフネス ラフネスの相間長 Ref: C.H. Lee et. al., IEDM(2013) 13-32 Ref: W. Wang et. al., IEEE Trans. on Elec. Dev. 58(2011)1972 ALD-La2O3/InGaAs界面ラフネス Gate Metal ALD-La2O3 n-in0.53ga0.47as Ra=0.45nm (from TEM image) ALD-La2O3/InGaAs界面のラフネスは移動度の低 下につながる 6
本発表の目的 ALD-La 2 O 3 /InGaAs 界面ラフネスの低減に向けたラフネス増加の原因特定 1 洗浄プロセスによる界面ラフネスへの影響を調査 2 ALD プロセスによる界面ラフネスへの影響を調査 7
本発表の目的 ALD-La 2 O 3 /InGaAs 界面ラフネスの低減に向けたラフネス増加の原因特定 1 洗浄プロセスによる界面ラフネスへの影響を調査 2 ALD プロセスによる界面ラフネスへの影響を調査 8
実験プロセスと評価方法 n-in 0.53 Ga 0.47 As (2 10 16 cm -3 ) アセトン エタノール + HF (20%) による基板酸化物の除去 (NH 4 ) 2 S (6~7%) による硫黄処理 ALD-La 2 O 3 堆積 ( 堆積温度 150 o C) (10cycle~1nm) FG (N 2 :H 2 =97%:3%) 雰囲気中にて320oC, 5min. アニール (PDA) ALD-La 2 O 3 をHF(1%) 用いてエッチング AFM 測定 ALD-La 2 O PDA 320 o C 3 + HF(20%) (NH 4 ) 2 S + (10cyc.) 5min. in FG AFM 測定洗浄前 3min. + AFM 測定 (6~7%) 20min. HF(1%) AFM 測定 AFM 測定 AFM 測定 HF(1%) n-ingaas n-ingaas n-ingaas n-ingaas n-ingaas 9
各洗浄プロセスによるラフネスへの影響 洗浄前 HF(20%) 3min. (NH 4 ) 2 S (6~7%) 20min. 走査エリア :1.0 μm 2 Ra=0.035 nm Ra=0.070 nm Ra=0.437 nm (NH 4 ) 2 S (6~7%) による表面処理により R a =0.3nm 増加 10
界面ラフネス Ra(nm) 硫黄処理時間とラフネスの関係 硫黄処理のみ行った場合のラフネス R a (nm) 0.5 0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 走査エリア :0.1μm 2 0 5 10 15 20 25 30 硫黄処理時間 t s (min.) 硫黄処理時間 5min. 以上でラフネスは 0.3nm 増加 11
本発表の目的 ALD-La 2 O 3 /InGaAs 界面ラフネスの低減に向けたラフネス増加の原因特定 1 洗浄プロセスによる界面ラフネスへの影響を調査 2 ALD プロセスによる界面ラフネスへの影響を調査 12
ALD プロセスのラフネスへの影響 界面ラフネス R a (nm) 走査エリア :1.0 μm 2 ALD La 2 O 3 /InGaAs 堆積温度 :150 o C 0.7 0.6 0.5 走査エリア :0.1 μm 2 0.4 0.3 0.2 0.1 0 + + + + Ra=0.451 nm (NH 4 ) 2 S 処理によるラフネス増加が支配的 ALD-La2O3 堆積後の熱処理でラフネスは0.1nm 増加 13
硫黄処理によるラフネスへの影響 走査エリア :1.0 μm 2 ALD La 2 O 3 /InGaAs 堆積温度 :150 o C 硫黄処理なし n-in 0.53 Ga 0.47 As HF (20%) 3min. (NH 4 ) 2 S (6~7%) 20min. ALD-La 2 O 3 depo. (10cycle~1nm) ALD-La 2 O 3 removed by HF(1%) AFM 測定 硫黄処理あり Ra=0.171 nm Ra=0.451 nm 硫黄処理は絶縁膜成膜までのプロセスでラフネス増加に影響している 14
界面ラフネス R a (nm) 硫黄処理によるラフネス増加抑制効果 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 走査エリア :0.1μm 2 w. S w/o. S ΔR a =0.02 nm ΔR a =0.10 nm 0 + + + + 硫黄処理によりで ΔR a :0.10 0.02 nm に抑制可能 15
Intensity (a. u.) Oxide to substrate peak intensity ratio 硫黄処理 硫黄処理の有無による XPS 分析 室温ではAs-S bond が形成 (Ga-Sが水に溶解する) 200 o C 程度の熱処理によりAs-S bond がIn-S bondに変化 or 脱離 47 As 3d Sub 45 As-As As 3+ 43 41 Sub 39 1122 37 Ga 2p HF(20%) Only HF(20%) + (NH 4 ) 2 S Ga-S Ga 3+ 1120 Ref: B. Brennan et. al., Appl. Sur. Sci. 257(2011) 4082-4090 ALD-La 2 O 3 (1nm)/InGaAs (no PDA) の XPS スペクトル Ga 1+ 1118 Sub TOA = 90 o 1116 Binding Energy (ev) 1114 447 In 3d 5/2 446 硫黄終端により InGaAs 表面は化学的安定化し加熱処理による基板破壊を抑制する In 3+ hν = 1486.6eV In 1+ 445 Sub 444 443 442 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0 M 1+ (M-S, Sub Oxide) No detect HF(20%) Only HF(20%) + (NH 4 ) 2 S AsOx/Sub 1+ InOx/Sub 1+ GaOx/Sub 1+ 16
まとめ ALD-La 2 O 3 /InGaAs 界面ラフネスの低減に向けたラフネス増加の原因特定 (NH 4 ) 2 S を用いた硫黄処理は最もラフネスを増加させる (R a =0.3nm, t S =20min.) ALD-La 2 O 3 堆積によるラフネスの増加 (ΔR a =0.1nm) は硫黄処理 (t S =20min.) により ΔR a =0.02nm 程度 抑制可能 17
ALD プロセスのラフネスへの影響 界面ラフネス R a (nm) 走査エリア :0.1μm 2 ALD La 2 O 3 /InGaAs (after etching) 0.3 0.25 0.2 走査エリア :0.1μm 2 0.15 0.1 0.05 0 + + + ΔR a = 0.10 nm Ra=0.171 nm ALD-La 2 O 3 堆積によりラフネスは 0.1nm 増加する 18
硫黄処理による ALD-La 2 O 3 成膜のラフネス増加 走査エリア :1.0 μm 2 ALD-La 2 O 3 depo. (no PMA) 硫黄処理あり硫黄処理なし硫黄処理あり Ra=0.437 nm Ra=0.171 nm Ra=0.451 nm 硫黄処理により ALD-La 2 O 3 成膜後のラフネス R a は > 0.45nm 増加する 19
HF(20%), HCl(10%) による InGaAs エッチングメカニズム InGaAs+3HX aq InF 3aq +GaX 3aq +AsH 3gas X=F, Cl ΔG HF =-112.2 (kj/mol) ΔG HCl =+75.5 (kj/mol) Ref: C. W. Cheng et. al., Nature Com. (2013) 10.1038 HF による native oxide のエッチングメカニズム Ref: F. L. Lie et. al., Microelec. Eng. 87(2010) 1656-1660 HF により Native oxide と InGaAs をエッチングできる 20
硫黄処理終端のメカニズム (NH 4 ) 2 S 2NH 4aq+ +S 2- aq S 2- aq +H 2 O HS - +OH - A III B V +HS - +H 2 O AS+BS+OH - +H 2 (g) Ref: N. Eassa et. al., Surface Sci. 6050(2011) 994-999 Ref: B. Brennan et. al., Appl. Sur. Sci. 257(2011) 4082-4090 硫化アンモニウムによるエッチング機構が存在する 21