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2011 Fiscal Year Research-status Report

デバイス動作下での電子状態、伝導特性の同時計測

Research Project

Project/Area Number 23560033
Research InstitutionNational Institute for Materials Science

Principal Investigator

山下 良之  独立行政法人物質・材料研究機構, その他部局等, 研究員 (00302638)

Project Period (FY) 2011-04-28 – 2014-03-31
Keywords電子分光 / シリコン / 高誘電体膜
Research Abstract

近年、多種多様なデバイスが開発され実用化に向けて研究がなされている。デバイスの物性解明には電子状態の測定が必要不可欠であるが、電子状態測定は無バイアス下で行われており、デバイスの物性を詳細に理解するにはデバイス動作下での電子状態測定が必要不可欠である。本研究では申請者のグループが開発したバイアス電圧印加硬X線光電子分光法を用いてデバイス動作下での電子状態の直接観測を行う。この手法は作製した素子をそのままの状態でかつバイアス電圧印加状態で電子状態が測定可能な手法である。当該年度は金属/高誘電体膜/SiO2/半導体における局所ポテンシャル分布、異種界面電子状態の電圧依存性の直接観測に関する実験を遂行した。加えて、本系は次世代のICに採用される系であるのみにも関わらず未だフェルミレベルピンニングが問題となっている系であり、かつその起源は未だ不明である。そこで当該年度は本手法を用いて金属/高誘電体膜/SiO2/半導体デバイスのフェルミレベルピンニングの起源も明らかにすることを試みた。白金を金属として用いた際、白金/高誘電体膜間で急激なポテンシャルの変化が観測された。このポテンシャルの変化はバイアスに関して一次の関数であった。また、その界面の化学種を調べたところSiO2が生成している事がわかった。一方、パラジウムを金属として用いた際、金属/高誘電体界面で白金に比べて膜厚の薄いSiO2様式の化学種が存在したが、パラジウム/高誘電体膜間でバイアスによるポテンシャルの変化は観測されなっかった。以上の事から金属/高誘電体膜/SiO2/半導体デバイスでは金属/高誘電体膜間に生成する化学種およびその膜厚がフェルミレベルピンニングと関係する事がわかった。以上の結果から金属/高誘電体膜間に生成する化学種を制御することが特性の良いデバイス作製に必要不可欠であることがわかった。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

デバイス動作下においてhigh-kゲートスタック内のポテンシャル分布を直接的に観測する事に成功した。また、high-kゲートスタック中のFermiレベルピンニングに起源を示唆する結果を得た。加えて、酸化物メモリーデバイスが動作中元素の移動により抵抗変化している現象的結果を得た。以上のことから研究は概ね順調に進行している。

Strategy for Future Research Activity

地震の影響による物品調達がバイアス印可ステージに温調変化を加える事を困難と判断し次年度に確実なものを作製することとした。これを補うため酸化物抵抗変化メモリーの実験を前倒し、抵抗変化の起源に関する現象論的結果を得た。

Expenditure Plans for the Next FY Research Funding

温調変化バイアス印可ステージを作製し、加えて酸化物抵抗変化メモリーのメカニズム解明を明らかにする実験を試みる

  • Research Products

    (11 results)

All 2012 2011

All Journal Article (9 results) (of which Peer Reviewed: 9 results) Presentation (2 results)

  • [Journal Article] Strong Correlation Between Oxygen Donor and Near-Surface Electron Accumulation in Undoped and Mg-Doped In-Polar InN Films2012

    • Author(s)
      AnLi Yang, Yoshiyuki Yamashita, Tomohiro Yamaguchi, Masataka Imura, Masamitsu Kanek, Osami Sakata, Yasushi Nanishi, and Keisuke Kobayashi
    • Journal Title

      Applied Physics Express

      Volume: 5 Pages: 031002 (3pages)

    • DOI

      10.1143/APEX.5.031002

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] デバイス動作下硬X線光電子分光方による最先端材料の物性解明2011

    • Author(s)
      山下良之,長田貴弘,吉川英樹,知京豊祐,小林啓介
    • Journal Title

      表面科学

      Volume: 32 Pages: 320-324

    • DOI

      10.1380/jsssj.32.320

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Direct Observation of Electronic States in Gate Stack Structures: XPS under Device Operation2011

    • Author(s)
      Y. Yamashita, H. Yoshikawa, T. Chikyo, and K. Kobayashi
    • Journal Title

      ECS Transactions

      Volume: 41 Pages: 331-336

    • DOI

      10.1149/1.3633313

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Bias application hard X-ray photoelectron spectroscopy study of forming process of Cu/HfO2/Pt resistive random access memory structure2011

    • Author(s)
      長田貴弘,南風盛将光,山下良之,吉川英樹,岩下祐太,小林啓介,知京豊裕
    • Journal Title

      APPLIED PHYSICS LETTERS

      Volume: 99 Pages: 223517(3pages)

    • DOI

      10.1063/1.3664781

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] XPS Study on Sb-/In- doping effects on the Fermi level and surface Fermi level pinning of SnO2 (101) thin films2011

    • Author(s)
      長田貴弘,Bierwagen Oliver ,White Mark, Tsai Min-Ying,山下良之,吉川英樹,大橋直樹,小林啓介,知京豊裕,Speck James
    • Journal Title

      APPLIED PHYSICS LETTERS

      Volume: 98 Pages: 232107(3pages)

    • DOI

      10.1063/1.3596449

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Study of Oxygen Migration at Pt/HfO2/Pt Interface by Bias-application Hard X-ray Photoelectron Spectroscopy2011

    • Author(s)
      長田貴弘,山下良之,小林啓介
    • Journal Title

      SPring-8 Research Frontiers

      Volume: 2011 Pages: 70-71

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Probing bulk electronic structure with hard X-ray angle-resolved photoemission2011

    • Author(s)
      A. X. Gray,C. Papp,上田茂典,B. Balke,山下良之,L. Plucinski,J. Minar,J. Braun,E. R. Ylvisaker,C. M. Schneider,W. E. Pickett,H. Ebert,小林啓介,C. S. Fadley
    • Journal Title

      NATURE MATERIALS

      Volume: 10 Pages: 759-764

    • DOI

      10.1038/NMAT3089

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Energy-level alignments and photo-induced carrier processes at the heteromolecular interface of quaterrylene and N,N0-dioctyl-3,4,9,10-perylenedicarboximide2011

    • Author(s)
      廣芝伸哉,早川竜馬,知京豊裕,山下良之,吉川英樹,小林啓 介,森本 健太,松石 清人,若山裕
    • Journal Title

      PHYSICAL CHEMISTRY CHEMICAL PHYSICS

      Volume: 13 Pages: 6280-6285

    • DOI

      10.1039/C0CP02663H

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Structural analysis and Electrical Properties of Pure Ge3N4 Dielectric Layers Formed by an Atmospheric-pressure Nitrogen Plasma2011

    • Author(s)
      早川竜馬,吉田 真司,井出康太,山下良之,吉川英樹,小林啓介,功刀俊介,上原剛,藤村紀文
    • Journal Title

      JOURNAL OF APPLIED PHYSICS,

      Volume: 110 Pages: 064103(5pages)

    • DOI

      10.1063/1.3638133

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Direct observation of electronic states in gate stack structures: XPS under device operation2011

    • Author(s)
      Yoshiyuki YAMASHITA
    • Organizer
      220th The Electrochemical Society meeting,The Electrochemical Society(招待講演)
    • Place of Presentation
      Boston, USA
    • Year and Date
      2011 – 1012
  • [Presentation] Bias-application in Hard X-ray Photoelectron Spectroscopy for Characterization of Advanced Materials2011

    • Author(s)
      Y. Yamashita, H. Yoshikawa, T. Chikyo, and K. Kobayashi
    • Organizer
      28th European Conference on Surface Science
    • Place of Presentation
      Wrocław, Poland
    • Year and Date
      2011 – 0831

URL: 

Published: 2013-07-10  

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