ナノ界面理論の新展開とそのナノデバイスへの応用

2007 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18360017
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: 白石 賢二 University of Tsukuba, 大学院・数理物質科学研究科, 教授 (20334039)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 押山 淳 東京大学, 大学院・工学系研究科, 教授 (80143361) ; BOERO Mauro 筑波大学, 大学院・数理物質科学研究科, 准教授 (40361315) ; 舘野 賢 筑波大学, 大学院・数理物質科学研究科, 准教授 (40291926) ; 岡田 晋 筑波大学, 大学院・数理物質科学研究科, 准教授 (70302388) ; 中山 隆史 千葉大学, 理学部, 教授 (70189075)
• Keywords: 界面 / 半導体 / 金属 / ナノ物性 / 界面反応 / 絶縁体 / 量子効果 / 界面準位

Research Abstract

1. ショットキーバリア高さ極限の破綻
これまで「バーディーン極限」と「ショットキー極限」がショットキーバリア高さにおける絶対的な極限として信じられてきた。我々は界面の選択的な軌道混成と界面構造を第一原理量子論等で詳細に検討することにより、上記2つの極限は本当の極限ではないことを理論的に明らかにした。さらに、ショットキー極限の破綻については広島大学の宮崎教授グループと連携して実験的にも検証し、界面物理学に新しい展開を与えることに成功した。
2. ショットキー障壁高さの制御指針の研究
平衡プロセス(高温プロセス)でCMOS構成が可能なプロセスを模索した。その結果、Si基板側の界面を制御することは有効な指針となることを示すとともに、酸素を導入して酸素空孔を消滅させる手法について特に考察した。その結果、フェルミレベルピニングが起こっている状況では酸素空孔を消滅させる反応は基板のSiを酸化する反応と熱力学的には等価であることを証明した。この結果は、酸素空孔の消滅と有効絶縁膜厚の増加はトレードオフの関係にあり、酸素空孔だけを消滅させるプロセスウインドーは極めて狭いことを明らかにした。上記考察は、酸素注入による酸素空孔の消去を行うプロセスは、集積化を目指した手法としては望み薄であることを意味している。
3. SiN電荷蓄積層の量子論的考察
MONOS型メモリの電荷蓄積層であるSiN絶縁膜の電荷蓄積機構を第一原理計算で検討した。その結果、SiN絶縁膜の堅固さと柔軟さが電荷トラップ機構に密接に関係することを明らかにし、酸素が混入して柔軟になったSiN/SiO_2界面では電子トラップ・ホールトラップ双方ともに形成されやすいことを明らかにした。

Research Products

• [Journal Article] Ge vacancies at Ge/Si interfaces: Stress-enhanced pairing distortion (2008)
  • Author(s): K. Takai, K. Shiraishi, A. Oshiyama
  • Journal Title: PHYSICAL REVIEW B 77 Pages: Art. No.045308
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 金属/絶縁体界面の統一理論 (2008)
  • Author(s): 白石賢二、中山隆史
  • Journal Title: 表面科学 29 Pages: 92-98
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Physical origin of stress-induced leakage currents in ultra-thin silicon dioxide films (2007)
  • Author(s): T. Endoh, K. Hirose, K. Shiraishi
  • Journal Title: IEICE TRANSACTIONS ON ELECTRONICS E90C Pages: 955-961
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Role of nitrogen atoms in reduction of electron charge traps in Hf-based high-k dielectrics (2007)
  • Author(s): N. Umezawa, K. Shiraishi, K. Torii, et. al.
  • Journal Title: IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS 28 Pages: 363-365
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Suppression of oxygen vacancy formation in Hf-based high-k dielectrics by lanthanum incorporation (2007)
  • Author(s): N. Umezawa, K. Shiraishi, S. Sugino, et. al.
  • Journal Title: APPLIED PHYSICS LETTERS 91 Pages: Art. No.132904
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Gate-component-induced high-k compositional change for dual-metal/dual-high-k CMOS-Cost-effective approach to utilize the effective work function stabilization by pinning- (2007)
  • Author(s): M. Kadoshima, Y. Sugita, K. Shiraishi, H. Watanabe, S. Miyazaki, T. Chikyow, K. Yamada, T. Aminaka, E. Kurosawa, T. Matsuki, T. Aoyama, Y. Nara, and Y. Ohji.
  • Journal Title: Technical Digest of 2007 Symposium on VLSI Technology Pages: 66-67
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Influences of annealing in reducing and oxidizing ambients on flatband voltage properties of HfO2 gate stack structures (2007)
  • Author(s): K. Ohmori, P. Ahmet, M. Yoshitake, T. Chikyow, K. Shiraishi, K. Yamabe, H. Watanabe, Y. Akasaka, Y. Nara, K.-S. Chang, M. L. Green, K. Yamada
  • Journal Title: JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 101 Pages: Art. No.084118
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Ab initio-based approach on initial growth kinetics of GaN on GaN(001) (2007)
  • Author(s): Y. Kangawa, Y. Matsuo, T. Akiyama, T. Ito, K. Shiraishi and K. Kakimoto
  • Journal Title: JOURNAL OF CRYSTAL GROWTH 301 Pages: 75-78
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Physics of Schottky barrier at Metal/high-k Interface (2008)
  • Author(s): T. Nakayama, R. Ayuda, H. Nii, K. Shiraishi
  • Organizer: 2008 MRS Spring Meeting, H5.5
  • Place of Presentation: San Francisco, USA
  • Year and Date: 20080324-28
• [Presentation] Characteristic Nature of High-k Dielectric Interfaces (2008)
  • Author(s): K. Shiraishi
  • Organizer: IEEE EDS WIMNACT 2008 on NANOELECRONICS
  • Place of Presentation: Sikkim, India
  • Year and Date: 20080306-08
• [Presentation] Interface Properties of Hf-Based High-k Gate Dielectrics-O Vacancies and Interface Reaction (2007)
  • Author(s): K. Shiraishi
  • Organizer: 14th International Workshop on the Physics of Semiconductor Devices
  • Place of Presentation: Mumbai, India
  • Year and Date: 20071216-20
• [Presentation] Theoretical Studies on Fermi Level Pining of Hf-Based High-k Gate Stacks Based on Thermodynamics (2007)
  • Author(s): K. Shiraishi, Y. Akasaka, G. Nakamura, M. Kadoshima, H. Watanabe, K. Ohmori, T. Chikyow, K. Yamabe, Y. Nara, Y. Ohji and K. Yamada
  • Organizer: 212th Meeting of Electrochemical Society
  • Place of Presentation: Washington D. C., USA
  • Year and Date: 20071007-12
• [Presentation] Schottky barrier and stability of metal/high-k interfaces; theoretical view (2007)
  • Author(s): T. Nakayama
  • Organizer: Int. Conf. Solid State Devices and Materials
  • Place of Presentation: Tsukuba, Japan.
  • Year and Date: 20070919-21
• [Presentation] How can first principles calculations give large contributions to industries? (2007)
  • Author(s): K. Shiraishi
  • Organizer: ISSP International Workshop/Symposium on Foundation and Application of Density Functional Theory
  • Place of Presentation: Kashiwa, Japan
  • Year and Date: 20070801-03
• [Presentation] Theoretical Studies on Metal/.High-k Gate Stacks (2007)
  • Author(s): K. Shiraishi, Y. Akasaka, G. Nakamura, T. Nakayama, S. Miyazaki, H. Watanabe, A. Ohta, K. Ohmori, T. Chikyow, Y. Nara, K. Yamabe, and K. Yamada
  • Organizer: 211th Meeting of Electrochemical Society
  • Place of Presentation: Chicago, USA
  • Year and Date: 20070507-10