絶縁膜界面バンドアライメント変調のための界面電荷エンジニアリングとその効果の実証

2023 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 21H04550
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 喜多 浩之 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (00343145)
• 研究期間 (年度): 2021-04-05 – 2024-03-31
• キーワード: 電子・電気材料 / 表面・界面物性 / 誘電体 / 電子デバイス・機器 / 界面双極子 / 応力印加

研究実績の概要

本研究では界面ダイポール効果を始め，界面のバンドアライメントを変化させる様々な現象についての理解を進めてきた。前年度までに4H-SiC(0001)ウェハに4点曲げを用いて機械的応力を加えるとSiC/SiO2 MOSキャパシタのフラットバンド電圧が応力に敏感に変化する現象を見出していた。本年度は，この効果の大きさの定量化を行うとともに解析を進めたところ，フラットバンド電圧の変化を支配する因子は固定電荷量の変化であり，界面ダイポール効果の寄与は小さいことが判明した。応力印加だけで固定電荷量が大きく変化する現象は旧来のSiデバイスでは観察されないのに対し，界面に電荷捕獲準位が高密度に存在するSiCでは応力による僅かな電子構造の変化が固定電荷量を大きく左右すると理解された。
また本研究では，ダイポール効果を精緻に制御可能な系としてペロブスカイト酸化物のエピタキシャル積層構造を調査してきた。SrTiO3(001)単結晶基板上にSrRuO3をエピタキシャル成長させ，その上にLaAlO3膜を積層するとき，LaAlO3はc軸方向に(LaO)+原子面と(AlO2)-原子面を繰り返すため，その積層順序に応じたダイポール層を形成する。通常はSrRuO3最表面原子層は面内で不均一な分布を有し，ダイポール効果も面内で不均一となるが，積層方法の工夫で原子層の面内均一性を高めることでダイポール効果が変調された。水平力顕微鏡(LFM)で表面摩擦力を調べると，面内での摩擦力の分布とダイポール効果の大小に強い相関がみられたことは，両者ともLaAlO3中の原子層の積層順序の面内ばらつきと対応するためと理解できる。導電性AFMで観察した局所的な電流の面内分布が，LFMで求めた表面原子の分布と整合したため，原子層の積層順序の面内分布の抑制が，積層構造中を流れる電流の制御の上で重要な因子となることが明らかとなった。

現在までの達成度 (段落)

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Enhancement of remnant polarization in ferroelectric HfO2 thin films induced by mechanical uniaxial tensile strain after crystallization process (2024)
  • 著者名/発表者名: Inoue Tatsuya, ONAYA Takashi, KITA Koji
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 17 ページ: 051003-1～5
  • DOI: 10.35848/1882-0786/ad379a
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Comparative study of mechanical stress-induced flat-band voltage change in MOS capacitor and threshold voltage change in MOSFET fabricated on 4H-SiC (0001) (2024)
  • 著者名/発表者名: Chu Qiao、Masunaga Masahiro、Shima Akio、Kita Koji
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 63 ページ: 030901-1～5
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ad2aa6
  • 査読あり
• [雑誌論文] Verification of modulation mechanism of the interfacial dipole effect by changing the stacking sequence of monatomic layers in perovskite oxides (2023)
  • 著者名/発表者名: Tamura Atsushi, Kita Koji
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 134 ページ: 235301-1～10
  • DOI: 10.1063/5.0169529
  • 査読あり
• [雑誌論文] Opportunity to achieve an efficient SiC/SiO2 interface N passivation by tuning the simultaneous oxidation modes during the SiC surface nitridation in N2 + O2 annealing (2023)
  • 著者名/発表者名: Yang Tianlin, Kita Koji
  • 雑誌名: Solid-State Electronics 巻: 210 ページ: 108815-1～4
  • DOI: 10.1016/j.sse.2023.108815
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effects of oxidant gas for atomic layer deposition on crystal structure and fatigue of ferroelectric HfxZr1-xO2 thin films (2023)
  • 著者名/発表者名: Onaya Takashi, Nabatame Toshihide, Nagata Takahiro, Tsukagoshi Kazuhito, Kim Jiyoung, Nam Chang-Yong, Tsai Esther H.R., Kita Koji
  • 雑誌名: Solid-State Electronics 巻: 210 ページ: 108801-1～4
  • DOI: 10.1016/j.sse.2023.108801
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] ペロブスカイト酸化物エピタキシャル薄膜における微視的および巨視的なバンドオフセットの値とリーク電流の大きさの関係 (2024)
  • 著者名/発表者名: 田村 敦史, 喜多 浩之
  • 学会等名: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 高温・低酸素分圧下アニールによる 4H-SiC 中の欠陥生成の FT-IR による検出 (2024)
  • 著者名/発表者名: 呂 楚陽, 女屋 崇, 喜多 浩之
  • 学会等名: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Investigating the Mechanism of SiO2/4H-SiC Interface Traps Passivation by Boron Incorporation through FT-IR Analysis of Near-Interface SiO2 (2024)
  • 著者名/発表者名: Runze Wang, Munetaka Noguchi, Shiro Hino, and Koji Kita
  • 学会等名: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 絶縁膜中の希土類元素の濃度による4H-SiC/絶縁膜界面への窒素導入現象の変化とその原因の考察 (2024)
  • 著者名/発表者名: 中島 辰海, 女屋 崇, 喜多 浩之
  • 学会等名: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] NOによるSiC/SiO2界面への窒素導入速度論に対する雰囲気効果の理解 (2024)
  • 著者名/発表者名: 佐々木 琉, 女屋 崇, 喜多 浩之
  • 学会等名: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Mechanism of Mechanical Stress-Induced Flat-band Voltage Change in 4H-SiC MOS Structure (2024)
  • 著者名/発表者名: Qiao Chu, Masahiro Masunaga, Akio Shima, and Koji Kita
  • 学会等名: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 機械的な引張歪みの存在下での分極反転に伴うHfO2薄膜の残留分極値の増大現象とその起源の考察 (2024)
  • 著者名/発表者名: 井上 辰哉, 女屋 崇, 喜多 浩之
  • 学会等名: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] SiO2との界面付近のβ-Ga2O3 中に酸素欠損が残存する原因の考察 (2024)
  • 著者名/発表者名: 片桐 浩生, 女屋 崇, 喜多 浩之
  • 学会等名: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 強誘電体HfxZr1?xO2/TiN の界面反応に起因する分極疲労抑制メカニズムに関する考察 (2024)
  • 著者名/発表者名: 女屋崇，生田目俊秀，長田貴弘，山下良之，塚越一仁，喜多 浩之
  • 学会等名: 第29回電子デバイス界面テクノロジー研究会 -材料・プロセス・デバイス特性の物理-
• [学会発表] Improvement of Fatigue Properties of Ferroelectric HfxZr1-xO2 Thin Films Using Surface Oxidized TiN Bottom Electrode (2023)
  • 著者名/発表者名: T. Onaya, T. Nabatame, T. Nagata, Y. Yamashita, K. Tsukagoshi, Y. Morita, H. Ota, S. Migita, and K. Kita
  • 学会等名: 54th IEEE Semiconcuctor Interface Specialists Conference (SISC)
  • 国際学会
• [学会発表] NO アニールによる 4H-SiC/SiO2界面への窒素導入反応における酸素分圧の影響の理解 (2023)
  • 著者名/発表者名: 佐々木琉, 女屋崇，喜多浩之
  • 学会等名: 応用物理学会先進パワー半導体分科会 第10回講演会
• [学会発表] 絶縁膜への希土類元素の導入による 4H-SiC/絶縁膜界面への窒素導入促進手法の検討 (2023)
  • 著者名/発表者名: 中島辰海, 女屋崇，喜多浩之
  • 学会等名: 応用物理学会先進パワー半導体分科会 第10回講演会
• [学会発表] SiO2 成膜とアニールによる β-Ga2O3 表面近傍の酸素欠損の変化の検討 (2023)
  • 著者名/発表者名: 片桐浩生, 女屋崇，喜多浩之
  • 学会等名: 応用物理学会先進パワー半導体分科会 第10回講演会
• [学会発表] N2雰囲気での高温窒化プロセスと O2雰囲気での低温アニール処理の組み合わせによる4H-SiC/SiO2界面品質の向上 (2023)
  • 著者名/発表者名: Tianlin Yang, Takashi Onaya and Koji Kita
  • 学会等名: 応用物理学会先進パワー半導体分科会 第10回講演会
• [学会発表] Impact of ALD-ZrO2 nucleation layers on leakage current properties and dielectric constant of ferroelectric HfxZr1-xO2 thin films (2023)
  • 著者名/発表者名: Takashi Onaya, Toshihide Nabatame, Kazuhito Tsukagoshi, and Koji Kita
  • 学会等名: 36th International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC 2023)
  • 国際学会
• [学会発表] Considerations on SiC Surface Oxidation and Nitridation Reactions to Form SiO2/4H-SiC MOS Interface for Advanced Power Devices (2023)
  • 著者名/発表者名: Koji Kita
  • 学会等名: The 9th International Conference on Science and Technology, Universitas Gadjah Mada Annual Scientific Conferences Series (ICST UGM 2023)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Structural Analysis of Boron Incorporated SiO2/4H-SiC MOS Interface with Reduced Trap Density (2023)
  • 著者名/発表者名: Runze Wang, Munetaka Noguchi, Shiro Hino, and Koji Kita
  • 学会等名: 2023 International Workshop on Dielectric Thin Films for Future Electron Devices: Science and Technology (IWDTF2023)
  • 国際学会
• [学会発表] Comparative Study on Local Lattice Distortion of 4H-SiC Surface Induced by Thermal Oxidation and Annealing in Ar Ambient (2023)
  • 著者名/発表者名: Chuyang Lyu, Takashi Onaya, and Koji Kita
  • 学会等名: 2023 International Workshop on Dielectric Thin Films for Future Electron Devices: Science and Technology (IWDTF2023)
  • 国際学会
• [学会発表] Possible Origins of Mechanical Stress-Induced Anomalous Impact on Threshold Voltage of 4H-SiC (0001) MOSFET (2023)
  • 著者名/発表者名: Qiao Chu, Masahiro Masunaga, Akio Shima, and Koji Kita
  • 学会等名: 2023 International Workshop on Dielectric Thin Films for Future Electron Devices: Science and Technology (IWDTF2023)
  • 国際学会
• [学会発表] Effect of Oxygen Partial Pressure on Nitridation Kinetics at 4H-SiC/SiO2 Interface Using NO Annealing (2023)
  • 著者名/発表者名: Ryu Sasaki, Takashi Onaya, and Koji Kita
  • 学会等名: 2023 International Workshop on Dielectric Thin Films for Future Electron Devices: Science and Technology (IWDTF2023)
  • 国際学会
• [学会発表] Origin of Fatigue Properties Induced by Oxygen Vacancies Originating from Ferroelectric-HfxZr1-xO2/TiN Interface Reaction During Field Cycling (2023)
  • 著者名/発表者名: Takashi Onaya, Takahiro Nagata, Toshihide Nabatame, Yoshiyuki Yamashita, Kazuhito Tsukagoshi, and Koji Kita
  • 学会等名: 2023 International Workshop on Dielectric Thin Films for Future Electron Devices: Science and Technology (IWDTF2023)
  • 国際学会
• [学会発表] Design of Surface Oxidation and Nitridation Reactions on 4H-SiC for the Advanced SiC Gate Stack Formation Processes (2023)
  • 著者名/発表者名: Koji Kita
  • 学会等名: 244th ECS Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] SiO2/β-Ga2O3界面形成条件が与えるβ-Ga2O3表面近傍の酸素欠損量の違いの検討 (2023)
  • 著者名/発表者名: 片桐 浩生，女屋 崇，喜多 浩之
  • 学会等名: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 機械的な引張歪みの存在下での分極反転に伴うHfO2薄膜の残留分極値の増大現象とその歪み解放後の緩和現象 (2023)
  • 著者名/発表者名: 井上 辰哉，女屋 崇，喜多 浩之
  • 学会等名: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Manipulation of Local Band Alignment Distribution by Controlling the Stacking Sequence in Dipole Layer at Perovskite Oxide Interface Characterized by Conductive AFM (2023)
  • 著者名/発表者名: Atsushi Tamura, Takashi Onaya, and Koji Kita
  • 学会等名: 2023 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM2023)
  • 国際学会
• [学会発表] Low-temperature post nitridation O2 annealing to reduce the fixed charge density while maintaining the high SiC surface N density (2023)
  • 著者名/発表者名: Tianlin Yang, Takashi Onaya, and Koji Kita
  • 学会等名: 2023 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM2023)
  • 国際学会
• [学会発表] Anomalous Impact of Mechanical Uniaxial Stress on Threshold Voltage of 4H-SiC (0001) MOSFET (2023)
  • 著者名/発表者名: Qiao Chu, Masahiro Masunaga, Akio Shima, and Koji Kita
  • 学会等名: 2023 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM2023)
  • 国際学会
• [学会発表] The Influence of Boron Concentration on the Reduction of SiO2/4H-SiC MOS Interface Defect Density with Preserved Flatband Voltage Stability (2023)
  • 著者名/発表者名: Runze Wang, Munetaka Noguchi, Hiroshi Watanabe, and Koji Kita
  • 学会等名: 2023 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM2023)
  • 国際学会
• [学会発表] Remnant Polarization Enhancement in Ferroelectric HfO2 Thin Films Induced by Mechanical Uniaxial Tensile Strain during Polarization Switching (2023)
  • 著者名/発表者名: Tatsuya Inoue, Takashi Onaya, and Koji Kita
  • 学会等名: 2023 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM2023)
  • 国際学会
• [備考] 東京大学大学院新領域創成科学研究科 物質系専攻 喜多研究室
  • URL: https://www.scio.t.u-tokyo.ac.jp/index.html