デバイス動作下での電子状態、伝導特性の同時計測

• 研究課題/領域番号: 23560033
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 薄膜・表面界面物性
• 研究機関: 独立行政法人物質・材料研究機構
• 研究代表者: 山下 良之 独立行政法人物質・材料研究機構, ナノエレクトロニクス材料ユニット, MANA研究者 (00302638)
• 研究期間 (年度): 2011-04-28 – 2015-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2014年度)
• 配分額: 5,330千円 (直接経費: 4,100千円、間接経費: 1,230千円); 2013年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2012年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2011年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円)
• キーワード: 光電子分光 / オペランド / その場観測 / 高誘電体 / 抵抗変化メモリ / ゲートスタック構造 / 界面準位 / ゲートスタック / 金属酸化物 / 電子分光 / シリコン / 高誘電体膜

研究成果の概要

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。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。本研究でデバイス動作下硬X線光電子分光法を用いて、極薄酸化物/半導体界面の界面準位のエネルギー準位の直接観測、ゲートスタック構造のポテンシャル分布の電圧依存性の直接観測、酸化物抵抗変化メモリのメカニズム解明に成功した。

研究成果

• [雑誌論文] Bias induced Cu ion migration behavior in resistive change memory structure observed by hard X-ray photoelectron spectroscopy (2015)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Nagata, Yoshiyuki Yamashita, Hideki Yoshikawa, Masataka Imura, Seungjun Oh, Kazuyoshi Kobashi, and Toyohiro Chikyow
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 巻: 54 号: 6S1 ページ: 06FG01-06FG01
  • DOI: 10.7567/jjap.54.06fg01
  • NAID: 210000145237
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Direct observation of bias-dependence potential distribution in metal/HfO2 gate stack structures by hard x-ray photoelectron spectroscopy under device operation (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Yamashita, H. Yoshikawa, T. Chikyo, K. Kobayashi
  • 雑誌名: J. Appl. Phys. 巻: 115 号: 4
  • DOI: 10.1063/1.4863637
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Hard x-ray photoelectron spectroscopy study of Ge2Sb2Te5; as-deposited amorphous crystalline and laser-reamorphized (2014)
  • 著者名/発表者名: J. H. Richter, P. Fons, A. V. Kolobov, S. Ueda, H. Yoshikawa, Y. Yamashita, S.Ishimaru, K. Kobayashi, J. Tominaga
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett. 巻: 104 号: 6
  • DOI: 10.1063/1.4865328
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Photoelectron spectroscopic study on band alignment of poly(3-hexylthiophene-25-diyl)/polar-ZnO heterointerface (2014)
  • 著者名/発表者名: T.Nagata, O. Seungjun, Y. Yamashita, H. Yoshikawa, N. IKENO, K. Kobayashi,T. Chikyo, Y. Wakayama
  • 雑誌名: Thin Solid Films 巻: 554 ページ: 194-198
  • DOI: 10.1016/j.tsf.2013.08.018
  • 査読あり
• [雑誌論文] Bias dependent potential distribution of a Pt/HfO2/SiO2/Si gate structure obtained from a bias application in hard X-ray photoelectron spectroscopy (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Yamashita, H. Yoshikawa, T. Chikyo
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 巻: 53 号: 5S1 ページ: 05FH05-05FH05
  • DOI: 10.7567/jjap.53.05fh05
  • NAID: 210000143843
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Bias-voltage application in a hard X-ray photoelectron spectroscopic study of the interface states at oxide/Si(100) interfaces (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Yamashita, T. Chikyo, K. Kobayashi
  • 雑誌名: SPring-8 Research Frontiers 巻: 2013 ページ: 54-55
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Photoelectron Spectroscopic Study on High-k Dielectrics Based Nanoionics-Type ReRAM Structure under Bias Operation (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Nagata, Y. Yamashita, H. Yoshikawa, K. Kobayashi, T. Chikyo
  • 雑誌名: ECS TRANSACTIONS 巻: 61 ページ: 301-310
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Chemical insight into electroforming of resistive switching manganite heterostructures (2013)
  • 著者名/発表者名: Francesco Borgatti, Chanwoo Park, Anja Herpers, Francesco Offi, Ricardo Egoavil, Yoshiyuki Yamashita, Anli Yang,e Masaaki Kobata, Keisuke Kobayashi, Jo Verbeeck, Giancarlo Panaccione and Regina Dittmann
  • 雑誌名: Nanoscale 巻: 5 号: 9 ページ: 3954-3960
  • DOI: 10.1039/c3nr00106g
  • 査読あり
• [雑誌論文] Bias-voltage application in a hard x-ray photoelectron spectroscopic study of the interface states at oxide/Si(100) interface (2013)
  • 著者名/発表者名: Yoshiyuki Yamashita, Hideki Yoshikawa, Toyohiro Chikyow, and Keisuke Kobayashi
  • 雑誌名: J. Appl. Phys. 巻: 113 ページ: 163707-163707
  • 査読あり
• [雑誌論文] New Direct Spectroscopic Method for Determination of Bias-Dependent Electronic States: Hard X-ray Photoelectron Spectroscopy Under Device Operation (2013)
  • 著者名/発表者名: Yoshiyuki Yamashita, Hideki Yoshikawa, Toyohiro Chikyow, and Keisuke Kobayashi
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys 巻: 52 号: 10R ページ: 108005-108005
  • DOI: 10.7567/jjap.52.108005
  • NAID: 210000142961
  • 査読あり
• [雑誌論文] Investigation of the effect of oxygen on the near-surface electron accumulation in non-polar m-plane (10-10) InN Film by Hard X-ray Photoelectron Spectroscopy (2013)
  • 著者名/発表者名: A. Yang, Y. Yamashita, H. Yoshikawa, T. Yamaguchi, M. Imura, M. Kaneko, S. Ueda, O. Sakata, Y. Nanishi, K. Kobayashi
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys 巻: 52 号: 8S ページ: 08JD01-08JD01
  • DOI: 10.7567/jjap.52.08jd01
  • 査読あり
• [雑誌論文] Systematic Investigation of Surface and Bulk Electronic Structure of Undoped In-polar InN Epilayers by Hard X-ray Photoelectron Spectroscopy (2013)
  • 著者名/発表者名: M. Imura, S. Tsuda, T. Nagata, H. Takeda, L. Meiyong, A. Yang, Y. Yamashita, H. Yoshikawa, Y. Koide, K. Kobayashi, Tomohiro, Masamitsu, Nao, Tsutomu, Yasushi
  • 雑誌名: J. Appl. Phys 巻: 114 号: 3 ページ: 33505-33505
  • DOI: 10.1063/1.4812570
  • 査読あり
• [雑誌論文] Room temperature redox reaction by oxide ion migration at carbon/Gd-doped CeO2 heterointerface probed by an in situ hard x-ray photoemission and soft x-ray absorption spectroscopies (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Tsuchiya, Miyoshi, Y. Yamashita, H. Yoshikawa, K. Terabe, K. Kobayashi, Yamaguchi
  • 雑誌名: Sci. Tech. Adv. Mat 巻: 14 号: 4 ページ: 45001-45001
  • DOI: 10.1088/1468-6996/14/4/045001
  • 査読あり
• [雑誌論文] Direct observation of redox state modulation at carbon/amorphous tantalum oxide thin film hetero-interface probed bymeans of in situ hard X-ray photoemission spectroscopy (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Tsuchiya, Miyoshi, Y. Yamashita, H. Yoshikawa, K. Terabe, K. Kobayashi, Yamaguchi
  • 雑誌名: Solid State Ion. 巻: 14 ページ: 110-118
  • DOI: 10.1016/j.ssi.2013.09.015
  • 査読あり
• [雑誌論文] Observation of filament formation process of Cu/HfO2/Pt ReRAM structure by hard x-ray photoelectron spectroscopy under bias operation (2012)
  • 著者名/発表者名: T. Nagata, M. Haemori, Y. Yamashita, H. Yoshikawa, K. Kobayashi and T. Chikyow
  • 雑誌名: J. Mater. Res 巻: 27 号: 6 ページ: 869-878
  • DOI: 10.1557/jmr.2011.448
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electronic structure of delta-doped La:SrTiO3 layers by hard x-ray photoelectron spectroscopy (2012)
  • 著者名/発表者名: A. M. Kaiser, A. X. Gray, G. Conti, B. Jalan, A. P. Kajdos, A. Gloskovskii, S. Ueda, Y. Yamashita, K. Kobayashi, W. Drube, S. Stemmer and C. S. Fadley
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett 巻: 100 号: 26 ページ: 261603-261603
  • DOI: 10.1063/1.4731642
  • 査読あり
• [雑誌論文] Band bending and surface defects in β-Ga2O3 (2012)
  • 著者名/発表者名: T. C. Lovejoy, R. Chen, X. Zheng, E. G. Villora, K. Shimamura, H. Yoshikawa, Y. Yamashita, S. Ueda, K. Kobayashi, S. T. Dunham, F. S. Ohuchi and M. A. Olmstead
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett 巻: 100 号: 18 ページ: 181602-181602
  • DOI: 10.1063/1.4711014
  • 査読あり
• [雑誌論文] Hard x-ray photoelectron spectroscopy study on band alignment at poly(3 4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate)/ZnO interface (2012)
  • 著者名/発表者名: T. Nagata, S. Oh, Y. Yamashita, H. Yoshikawa, R. Hayakawa, K. Kobayashi, T. Chikyow and Y. Wakayama
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett 巻: 101 号: 17 ページ: 173303-173303
  • DOI: 10.1063/1.4762834
  • 査読あり
• [雑誌論文] Nondestructive characterization of a TiN metal gate: chemical and structural properties by means of standing-wave hard x-ray (2012)
  • 著者名/発表者名: C. Papp, G. Conti, B. Balke, S. Ueda, Y. Yamashita, H. Yoshikawa, Y. S. Uritsky, K. Kobayashi, C. S. Fadley
  • 雑誌名: J. Appl. Phys 巻: 112 号: 11 ページ: 114501-114501
  • DOI: 10.1063/1.4765720
  • 査読あり
• [雑誌論文] Polarity-dependent photoemission spectra of wurtzite-type zinc oxide (2012)
  • 著者名/発表者名: J. Williams, H. Yoshikawa, S. Ueda, Y. Yamashita, K. Kobayashi, Y. Adachi, H. Haneda, T. Oogaki, H. Miyazaki, Takamasa Ishigaki, N. Ohash
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett 巻: 100 号: 5 ページ: 51902-51902
  • DOI: 10.1063/1.3673553
  • 査読あり
• [雑誌論文] Determination of Schottky barrier profile at Pt/SrTiO3:Nb junction by x-ray photoemission (2012)
  • 著者名/発表者名: N. Ohashi, H. Yoshikawa, Y. Yamashita, S. Ueda, J. Li, H. Okushi, K. Kobayashi and H. Haneda
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett 巻: 101 号: 25 ページ: 251911-251911
  • DOI: 10.1063/1.4772628
  • 査読あり
• [雑誌論文] Observation of boron diffusion in an annealed Ta/CoFeB/MgO magnetic tunnel junction with standing-wave hard x-ray photoemission (2012)
  • 著者名/発表者名: A. A. Greer, A.X. Gray, Shun Kanai, A. M. Kaiser, S. Ueda, Y. Yamashita, C. Bordel, G. Palsson, N. Maejima, S.-H. Yang, G. Conti, K. Kobayashi, Shoji Ikeda, Fumihiro Matsukura, Hideo Ohno, C. M. Schneider, J. B. Kortright, F. Hellman, and C. S. Fadley
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 101 号: 20 ページ: 202402-202402
  • DOI: 10.1063/1.4766351
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effect of near atmospheric pressure nitrogen plasma treatment on Pt/ZnO interface (2012)
  • 著者名/発表者名: T. Nagata, Y. Yamashita, H. Yoshikawa, T. Uehara, M. Haemori, K. Kobayashi and T. Chikyow
  • 雑誌名: J. Appl. Phys. 巻: 112 号: 11 ページ: 116104-116104
  • DOI: 10.1063/1.4768908
  • 査読あり
• [雑誌論文] Bulk Electronic structure of the dilute magnetic semiconductor Ga1-xMnxAs through hard x-ray angle-resolved photoemission (2012)
  • 著者名/発表者名: A. X. Gray, J. Minar, S. Ueda, P. R. Stone, Y. Yamashita, J. Fujii, J. Braun, L. Plucinski, C. M. Schneider, G. Panaccione, H. Ebert, O. D. Dubon, K. Kobayashi, C. S. Fadley
  • 雑誌名: Nat. Mater. 巻: 11 号: 11 ページ: 957-962
  • DOI: 10.1038/nmat3450
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electronic Structure Changes across the Metamagnetic Transition in FeRh via Hard X-Ray Photoemission (2012)
  • 著者名/発表者名: A. X. Gray, D. W. Cooke, E. E. Fullerton, S. Ueda, Y. Yamashita, A. Gloskovskii, C. M. Schneider, W. Drube, K. Kobayashi, F. Hellman, C. S. Fadley
  • 雑誌名: Phys. Rev. Lett 巻: 108 号: 25 ページ: 257208-257208
  • DOI: 10.1103/physrevlett.108.257208
  • 査読あり
• [雑誌論文] Strong Correlation Between Oxygen Donor and Near-Surface Electron Accumulation in Undoped and Mg-Doped In-Polar InN Films (2012)
  • 著者名/発表者名: A.Yang, Y.Yamashita, T.Yamaguchi, M.Imura, M.Kaneko, O.Sakata, Y.Nanishi, K.Kobayashi
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 5 号: 3 ページ: 031002-031002
  • DOI: 10.1143/apex.5.031002
  • NAID: 10030510922
  • 査読あり
• [雑誌論文] デバイス動作下硬Ｘ線光電子分光法による最先端材料の物性解明 (2011)
  • 著者名/発表者名: 山下良之,長田貴弘,吉川英樹,知京豊祐,小林啓介
  • 雑誌名: 表面科学 巻: 32 号: 6 ページ: 320-324
  • DOI: 10.1380/jsssj.32.320
  • NAID: 10028287758
  • ISSN: 0388-5321, 1881-4743
  • 査読あり
• [雑誌論文] Direct Observation of Electronic States in Gate Stack Structures: XPS under Device Operation (2011)
  • 著者名/発表者名: Y. Yamashita, H. Yoshikawa, T. Chikyo, and K. Kobayashi
  • 雑誌名: ECS Transactions 巻: 41 号: 7 ページ: 331-336
  • DOI: 10.1149/1.3633313
  • 査読あり
• [雑誌論文] Bias application hard X-ray photoelectron spectroscopy study of forming process of Cu/HfO2/Pt resistive random access memory structure (2011)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: APPLIED PHYSICS LETTERS 巻: 99 号: 22
  • DOI: 10.1063/1.3664781
  • 査読あり
• [雑誌論文] XPS Study on Sb-/In- doping effects on the Fermi level and surface Fermi level pinning of SnO2 (101) thin films (2011)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: APPLIED PHYSICS LETTERS 巻: 98 号: 23
  • DOI: 10.1063/1.3596449
  • 査読あり
• [雑誌論文] Study of Oxygen Migration at Pt/HfO2/Pt Interface by Bias-application Hard X-ray Photoelectron Spectroscopy (2011)
  • 著者名/発表者名: 長田貴弘,山下良之,小林啓介
  • 雑誌名: SPring-8 Research Frontiers 巻: 2011 ページ: 70-71
  • 査読あり
• [雑誌論文] Probing bulk electronic structure with hard X-ray angle-resolved photoemission (2011)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: NATURE MATERIALS 巻: 10 号: 10 ページ: 759-764
  • DOI: 10.1038/nmat3089
  • 査読あり
• [雑誌論文] Energy-level alignments and photo-induced carrier processes at the heteromolecular interface of quaterrylene and N,N0-dioctyl-3,4,9,10-perylenedicarboximide (2011)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: PHYSICAL CHEMISTRY CHEMICAL PHYSICS 巻: 13 号: 13 ページ: 6280-6285
  • DOI: 10.1039/c0cp02663h
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structural analysis and Electrical Properties of Pure Ge3N4 Dielectric Layers Formed by an Atmospheric-pressure Nitrogen Plasma (2011)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, 巻: 110 号: 6
  • DOI: 10.1063/1.3638133
  • 査読あり
• [学会発表] デバイス動作下硬Ｘ線光電子分光法による半導体素子の界面評価 (2015)
  • 著者名/発表者名: 山下良之
  • 学会等名: ゲートスタック研究会―材料・プロセス・評価の物理―、応用物理学会
  • 発表場所: 東レ研修センター
  • 年月日: 2015-01-29 – 2015-01-30
  • 招待講演
• [学会発表] デバイス動作下における電子状態変化のその場観察／硬X線光電子分光装置 (2015)
  • 著者名/発表者名: 山下良之
  • 学会等名: テクノロジー・ショーケース2015
  • 発表場所: つくば国際会議場
  • 年月日: 2015-01-21
  • 招待講演
• [学会発表] デバイス動作下硬X線光電子分光法による界面電子状態の直接観測 (2014)
  • 著者名/発表者名: 山下良之
  • 学会等名: 深さ方向分析の最前線、表面科学会
  • 発表場所: 東京理科大学
  • 年月日: 2014-11-21
  • 招待講演
• [学会発表] デバイス動作下での電子状態の直接観測 (2014)
  • 著者名/発表者名: 山下良之
  • 学会等名: 表面界面におけるエネルギーの移動と変換、理化学研究所
  • 発表場所: 理化学研究所
  • 年月日: 2014-11-21
  • 招待講演
• [学会発表] 硬X線光電子分光法によるエレクトロニクスデバイスのオペランド測定 (2014)
  • 著者名/発表者名: 山下良之
  • 学会等名: 東京大学物性研究所短期研究会 「最先端オペランド観測で明らかになる物性科学」
  • 発表場所: 東京大学 物性研究所
  • 年月日: 2014-09-29 – 2014-09-30
  • 招待講演
• [学会発表] バイアス印加硬X線光電子分光法によるゲートスタック構造内 のポテンシャル分布の直接観測 (2013)
  • 著者名/発表者名: 山下良之, 吉川英樹, 知京豊裕, 小林啓介
  • 学会等名: 第33回日本表面科学学術講演会
  • 発表場所: つくば
• [学会発表] Electronic Structures under High - k Device Operation: XPS Study (2013)
  • 著者名/発表者名: Y. Yamashita
  • 学会等名: JJAPーMRS
  • 発表場所: 同志社大学
  • 招待講演
• [学会発表] “Direct observation of electronic states in gate stack structures: XPS under device operation (2013)
  • 著者名/発表者名: Y. Yamashita, H. Yoshikawa, T. Chikyo, K. Kobayashi
  • 学会等名: 19th International Vacuum Congress
  • 発表場所: Paris
• [学会発表] Direct Observation of Electronic Structures in High-k Based Devices under Device Operation (2012)
  • 著者名/発表者名: Yoshiyuki Yamashita
  • 学会等名: UMRS-International Conference on Electronic Materials 2012
  • 発表場所: Yokohama, Japan
  • 招待講演
• [学会発表] Bias dependent electronic states in gate stack structures: HXPES under device operation (2012)
  • 著者名/発表者名: YOSHIYUKI YAMASHITA,YOSHIKAWA Hideki,CHIKYO Toyohiro,NABATAME Toshihide,KOBAYASHI Keisuke
  • 学会等名: 12th International Conference on Electron Spectroscopy and Structure
  • 発表場所: Saint-Malo, France
• [学会発表] Direct observation of electronic states in gate stack structures: XPS under device operation (2011)
  • 著者名/発表者名: Yoshiyuki YAMASHITA
  • 学会等名: 220th The Electrochemical Society meeting,The Electrochemical Society(招待講演)
  • 発表場所: Boston, USA
• [学会発表] Bias-application in Hard X-ray Photoelectron Spectroscopy for Characterization of Advanced Materials (2011)
  • 著者名/発表者名: Y. Yamashita, H. Yoshikawa, T. Chikyo, and K. Kobayashi
  • 学会等名: 28th European Conference on Surface Science
  • 発表場所: Wrocław, Poland
• [図書] ポストシリコン半導体-ナノ成膜ダイナミクスと基盤・界面効果 (2013)
  • 著者名/発表者名: 山下良之
  • 出版者: NTS