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次世代半導体デバイスの開発では、高誘電率絶縁膜/半導体界面を原子レベルで制御し、かつ良好な界面特性を実現する技術が必要となる。しかし、現在の最先端デバイスに採用されているHfO_2/Si構造では、界面Si酸化物を単分子層程度まで抑制すると大きな界面ダイポールの発生が問題となる。本研究は、種々の分析方法を用いてHfO_2/Si界面の電子状態および化学結合状態を評価し、界面ダイポール発生の起源を探ることを目的としている。
これまで、界面ダイポールの存在はMIS構造からのみ確認されており、電極を形成していないHfO_2/Si構造では評価できていなかった。昨年度は、x線光電子分光法を試みたが、絶縁膜中の電荷捕獲の影響を無視できないことが判明していたため、本年度はケルビンプローブ法を試みた。同手法より、MIS電気測定で得られたダイポールとほぼ等しいダイポール量が見積られ、電極形成に関係なく界面ダイポールは発生することが明らかとなった。また、Si-O結合が分解する熱処理において界面ダイポールの消失が観察され、界面Si-O結合近傍の分極がダイポールの起源であることを提案した。さらに、コンダクタンス法を用いて界面準位特性を調査した結果、界面準位とダイポールとの相関は何ら認められなかった。すなわち、界面近傍の電子状態間の電荷移動がダイポールを誘起していることは考え難く、上述の化学結合に基づくダイポールモデルを支持している結果と言える。また、HfO_2/Ge構造についても界面Ge酸化物とダイポールの関係を調査し、界面Ge酸化物が単原子層レベルになると界面ダイポールが観察され、ダイポール発生がSiとGeのIV族半導体表面で共通の現象であることを提案した。
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