2017 Fiscal Year Annual Research Report
Study of oxidation mechanisms in Ge and SiGe
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16H02331
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
鳥海 明 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (50323530)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | ゲルマニウム / 酸化機構 / 同位体酸素 / シリコン・ゲルマニウム |
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| Outline of Annual Research Achievements |
昨年度にGeの酸化機構がSiとは本質的に異なることを直接見いだすことに成功した。そもそもSiのDeal-Grove機構は酸素分子の拡散ということで定式化されており、その証拠として同位体酸素を用いた実験でその機構は証明されてきた。GeはSiと同じような酸化時間に対して酸化膜の成長を示すので、誰もがSiと同じようにDeal-Grove則が成立するものと信じてきた。しかし我々はGeの酸化レートに対して異常な酸素圧力依存性を示すことを発見していた。そこでGeの酸化に対して酸素同位体を用いて酸素の拡散を調べる実験を行った。その結果からGeではSiとは全く異なる形で酸化が進んでいることが初めてわかった。その速度論を明らかにするために、今年度は意図的にGeO2/Ge上にSiO2を堆積したサンプルの同位体実験を行い、酸素の拡散を調べ、またその酸化レートを調べたと。これによってさらにSiとGeの酸化機構の違いが明瞭に示された。
一方、SiGeに対して良好な界面特性を示すゲートスタック構造をすでに報告してきたがSiGeの酸化機構そのものに関しては現象論以上の理解が進んでいないというのが現状であった。もちろん高温ではGeの酸化濃縮という現象が起きていることはすでに報告されているが、実際のゲートスタック形成温度でのSiGe界面における酸化膜成長に関する知識は極めて乏しい。そこで、今年度は物理測定に特化し、SiGeの酸化による界面の変化をXPSとRaman分光を用いて検討した。その結果、SiGeの酸化に伴って、界面にGeが析出すること、そしてそれがアモルファス状態ではなく結晶性の膜であることがわかった。この結果は温度領域を考えて、いわゆる酸化濃縮とは異なり界面に析出した純Ge相であり、このことがSiGeのゲートスタック形成を難しくしているもっとも重要である点であると考えられる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
Ge酸化機構に関しては初年度の画期的な結果に続いて，今年度はSiO2/GeO2スタック構造を用いた酸化実験を行い昨年度の結果を裏付けることができた．つまりSiO2中は酸素分子の拡散で進行するがGeO2中ではそれ以外の形態で進んでいるという結果である．この結論は先の酸化における同位体の結果およびGe基板上にSiO2/GeO2の積層構造，GeO2/SiO2の積層構造を作製してからGeの酸化を調べる，あるいはここで酸素同位体による酸素の拡散を調べるという実験から明らかにされた．
SiGeの酸化に対しては，Geが濃縮されたSiGeという形ではなく，純Geという形で析出されるという決定的な結果をえることができた．これは従来の1000℃近辺における酸化濃縮技術とはまったく異なることを考えなければならないことを意味している．またSiGeのゲートスタックにおける界面の劣化機構を明らかにするためにも極めて重要であり，最終年度に向けてこの析出機構の解明に向けて実験および解析をすすめる．
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度は、Geの熱酸化で形成された酸化膜自身の性質に関して調べる。それはGeO2/Ge積層構造を超高真中で熱処理をするとGeOが脱離するということを以前から見つけてきたが、ここにはGeO2の性質自身が関係しているはずであり、もとをただせばGeの酸化そのものが関係していると考えるからである。またGeO2/Ge系の信頼性にも関係しているはずである．特に以前に発見していたGeO2が結晶化するという事実を焦点としながらGe基板との反応性を検討していく．さらに当初から問題意識としてあったGeを高酸素圧下で熱酸化したときに何故酸化レートが遅くなるのかを明らかにする。高圧酸化はGe/GeO2界面を圧倒的に改善することを我々は以前に発見しており，なぜ改善されるのかに関しては熱力学的な観点からGeOの不安定性という観点を頼りに考えてきた．これをさらにすすめて，酸化機構に戻って界面の改善機構について検討したい．これはGeデバイス改善に対して本質的で決定的な理解になるものと考えている．
またSiGeの酸化に関しては、酸化によってGe層が析出するというところまでは明らかになったので、酸化とともに酸化膜界面および酸化膜そのものがどのように変化していくのかを総合的に調べる。これらの違いは，SiGeの酸化反応がSiあるいはGeの酸化とは異なり，SiとGeの両者の駆け引きの中で進むことから異常性がきているものと考えており，SiGeに限らず多元系半導体の酸化機構を考える上での基本的な出発点になると考えている．
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