高エネルギー光電子分光法開発と高誘電率膜/シリコン界面の化学結合状態分析への応用

2005 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15206006
• Research Institution: Musashi Institute of Technology
• Principal Investigator: 服部 健雄 武蔵工業大学, 名誉教授 (10061516)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 岩井 洋 東京工業大学, フロンティア創造共同研究センター, 教授 (40313358) ; 大見 俊一郎 東京工業大学, 大学院・総合理工学研究科, 助教授 (30282859) ; 小林 啓介 武蔵工業大学, 高輝度光科学研究センター, 特別研究員 (50372149) ; 高田 恭孝 武蔵工業大学, 理化学研究所, 先任研究員 (90261122) ; 野平 博司 武蔵工業大学, 工学部, 助教授 (30241110)
• Keywords: 放射光 / 光電子分光法 / 角度分解光電子分光法 / ゲート絶縁膜 / 高誘電率膜 / 希土類酸化膜 / 最大エントロピー法 / 誘電率

Research Abstract

岩井と大見とからなる研究グループが電子ビーム蒸着法により作成したLaO_xとシリコン基板との界面の熱安定性を、昨年度に引き続き調べた。ラザフォード後方散乱法により決定した元素組成の深さ方向変化を出発点として、La 3d、Si 1s、O 1sの内殻準位からの角度分解光電子スペクトルに最大エントロピー法を適用して組成の深さ方向変化を決定した。その結果、LaO_xとシリコン基板との界面に形成される組成遷移層の厚みが熱処理温度400℃以上で増大することが判明した。
次世代CMOSデバイスのために、高誘電率ゲート絶縁膜とシリコン基板との間に均一かつ平坦な極薄SiO_2膜を形成させたスタック構造が検討されている。この構造の各膜厚は、所望する等価酸化膜厚を実現するように設計される。その際、各層の誘電率としては、バルクの高誘電率ゲート絶縁膜とバルクSiO_2の誘電率の値が用いられている。しかし、極薄SiO_2膜の誘電率がバルクのそれと同じという保証はない。そこで、SPring-8の軟X線ビームラインBL27SUと硬X線ビームラインBL47XUにおいて、酸化膜厚0.22〜1.96nmのSiO_2/Si構造のSi 1sおよびSi 2p光電子スペクトルを測定した。Si 1sとSi 2pのケミカルシフト量の差から、中間酸化状態ならびにSiO_2極薄膜の光学的誘電率を推定した。その結果、バルクSiO_2の光学的誘電率は2.1であるが、Si原子の酸化数の減少と共に光学的誘電率が2.8〜5.8に増大すること、SiO_2膜厚約1.0nm以下で光学的誘電率が増加し,膜厚0.22nmでは3.4になることを明らかにした。
その後、小林を中心としてこの硬X線光電子分光を活用する分野を広げる試みがなされ、半導体集積回路への応用に加えて、各種物性の電子状態の解明への貢献など大きな広がりを見せている。

Research Products

• [Journal Article] Electronic structure of strained (La_<0.85>Ba_<0.15>)MnO_3 thin films with room-temperature ferromagnetism investigated by hard x-ray photoemission spectroscopy (2006)
  • Author(s): H.Tanaka, Y.Takata, K.Horiba, M.Taguchi, A.Chainani, S.Shin, D.Miwa, K.Tamasaku, Y.Nishino, T.Ishikawa, E.Ikenaga, M.Awaji, A.Takeuchi, T.Kawai, K.Kobayashi
  • Journal Title: Physical Review B 73 Pages: 094403-1-094403-6
• [Journal Article] Valence charges for ultrathin SiO_2 film formed on Si(100) (2006)
  • Author(s): K.Hirose, M.Kihara, H.Okamoto, H.Nohira, E.Ikenaga, Y.Takata, K.Kobayashi, T.Hattori
  • Journal Title: Journal de Physique IV 132 Pages: 83-86
• [Journal Article] A novel probe of intrinsic electronic structure : hard X-ray photoemission spectroscopy (2005)
  • Author(s): Y.Takata, K.Tamasaku, Y.Nishino, D.Miwa, M.Yabashi, E.Ikenaga, K.Horiba, M.Arita, K.Shimada, H.Namatame, H.Nohira, T.Hattori, S.Sodergren, B.Wannberg et al.
  • Journal Title: Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena 144-147 Pages: 1063-1065
• [Journal Article] Development of hard X-ray photoelectron spectroscopy at BL29XU in SPring-8 (2005)
  • Author(s): Y.Takata, M.Yabashi, K.Tamasaku, Y.Nishino, D.Miwa, T.Ishikawa, E.Ikenaga, K.Horiba, S.Shin, M.Arita, K.Shimada, H.Namatame, M.Taniguchi, H.Nohira et al.
  • Journal Title: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 547 Pages: 50-55
• [Journal Article] Evidence for Suppressed Screening on the Surface of High Temperature La_<2-x>Sr_xCuO_4 and Nd_<2-x>Ce_xCuO_4 Superconductors (2005)
  • Author(s): M.Taguchi, A.Chainani, K.Horiba, Y.Takata, M.Yabashi, K.Tamasaku, Y.Nishino, D.Miwa, T.Ishikawa, T.Ishikawa, T.Takeuchi, K.Yamamoto, M.Matsunami, S.Shin et al.
  • Journal Title: Physical Review Letters 95 Pages: 177002-1-177002-4
• [Journal Article] Thermal Stability of LaO_x/Si Interfacial Transition Layer (2005)
  • Author(s): H.Nohira, T.Yoshida, H.Okamoto, Ng Jin Aun, Y.Kobayashi, S.Ohmi, H.Iwai, E.Ikenaga, K.Kobayashi, Y.Takata, T.Hattori
  • Journal Title: ECS Transactions 1 Pages: 87-95