Volume1 No.3

背景と研究目的：

　光電子分光法を用いて、半導体デバイスの動作状態におけるバンドエネルギーを評価することは、デバイス特性の向上のために重要な情報を与える。バンドエネルギーの変化は、光電子のエネルギーシフトから直接的に評価することが可能である。例えばMOS（metal-oxide-semiconductor）界面において、バイアス印加によって生じるバンドエネルギーの変化から、ゲート酸化膜や半導体へかかるバイアスの状態、バンド曲がりやその変化などに関する情報が得られる。また、MOS界面においてバイアス印加に対する半導体コアレベルのシフト量から界面準位密度を評価する手法も報告されている^[1]。

　しかしながら、通常用いられるAl Kα線やMg Kα線を励起光として使用するX線光電子分光法（XPS）では、光電子の脱出深さが浅いためMOS試料においてゲート酸化膜やゲート電極の膜厚を数nm程度と極端に薄くして測定する必要がある。このような試料では、実際にデバイスの状態と異なることが懸念される。

　我々は、通常のXPSと比べて十分な光電子の脱出深さが得られる硬X線光電子分光法（HAXPES）を用いて、実デバイスに近いMOS試料を作製し、バイアス印加に対するバンドエネルギー評価を試みた。

実験：

　図1にSi-MOS試料の層構造を示す。1〜10 Ωcmの抵抗率を有するn-type（P-doped）CZ-Si(111)基板と、1〜5 Ωcmの抵抗率を有するn-type(P-doped）CZ-Si(001)基板について、900°Cにおけるパイロジェニック熱酸化により、SiO₂を形成した。SiO₂の膜厚は、X線反射率により評価を行い、Si(111)では約12.5 nm、Si(001)では約9.0 nmであった。裏面のSiO₂は除去した後、イオン注入後Alを蒸着することでオーミック電極を形成した。表面のSiO₂上にはゲート電極としてAlを約8.5 nm蒸着した。

　HAXPES測定はSPring-8 BL46XUにて実施した。励起Ｘ線のエネルギーは8 keVとし、VG-SCIENTA社製R4000エネルギー分析器を用いて光電子スペクトルを取得した。励起X線の入射角は試料面から10°とし、光電子放出角は80°（光電子取り込み角は約±7°）とした。HAXPES測定時の励起X線の試料表面上における照射面積は、およそ2×0.02 mm² (0.04 mm²)であった。試料表面のAl電極はGNDに接続し、裏面のAl電極にバイアスを印加し、Si 1s光電子スペクトルを取得した。Si 1s光電子の運動エネルギーは、約6100 eV程度となり、TPP-2M^[2]から計算したAl電極中、SiO₂中における非弾性平均自由行程（IMFP）はそれぞれ10.3 nm、10.5 nmとなる。また、表面のAl電極のAl 1sスペクトルも取得し、得られたAl 1sピークの束縛エネルギー（1559.80 eV）を基準にSi 1sスペクトルのエネルギー補正を行った。

　作製したMOS試料について、+1.6 Vから−0.6 Vまでバイアスを掃引しI-V評価を実施した。リーク電流は、Si(111)、Si(001)ともに試料へ負バイアスを印加した際に大きくなり、Si(111)では最大0.3 mA、Si(001)では最大0.15 mA程度のリーク電流が検出された。SiO₂膜上の表面Al電極の全面積は、16 mm²程度と比較的広いため、リークの原因は酸化膜のピンホールの可能性が高いと考えられる。しかしながら、リーク電流が流れても酸化膜に電圧が印加されるような状態であれば、測定には影響を与えないと考えられる。

図1．Si-MOS試料の層構造 (a) Si(111)基板上MOS、(b) Si(001)基板上MOS。

結果および考察：

　図2に、Si(111)-MOSとSi(001)-MOSにおいて、各印加バイアスで取得されたSi 1sスペクトルを示す。Si(111)-MOSでは+1.6 Vから−0.6 Vまで、Si(001)-MOSでは+1.6 Vから−1.0 Vまで0.2 Vステップでバイアスを印加し、光電子スペクトルの測定を行った。高束縛エネルギー側のピークは、SiO₂ゲート酸化膜に由来するピークであり、低束縛エネルギー側のピークは半導体Siに由来するピークである。取得された光電子スペクトルは、バックグラウンドを除去後、半導体Siのピークトップで規格化を行い、表面Al電極のAl 1s光電子ピークを基準にエネルギー補正を行った。

　Si 1s光電子ピークのバイアス掃引方向に対するヒステリシスを確認するため、+1.6 Vから−0.6 Vまで電圧を掃引して光電子スペクトルを取得した後、−0.6 Vから+方向に掃引して再度光電子スペクトルを取得した。結果として、光電子ピークのシフトは無く、バイアス掃引方向に対するヒステリシスは無視できることを確認した。

図2．Si-MOSにおいて各印加バイアスで測定したSi 1sスペクトル。

(a) Si(111)基板上MOS、(b) Si(001)基板上MOS

　図3に印加電圧に対するSi 1s光電子スペクトルにおける半導体Si成分とSiO₂成分のピークシフトを示す。各光電子スペクトルに対して擬Voigt関数を用いてピークフィットを行い、バイアス印加なしを基準としたピークエネルギーのずれを評価した。半導体Siに由来するSi 1sピークは、ほぼ印加バイアス分だけピークがシフトしていることがわかる。Si基板のドーパント濃度が十分に低く、半導体中のバンド曲がりの幅がHAXPESの検出深さより十分に大きいため、ここで観察しているSi 1sピークは界面のバンドエネルギーを反映している。この界面のバンドエネルギーのシフトは酸化膜に分配された電圧に対応するため、半導体側への電圧の分配がほとんどない、つまり界面のフェルミレベルの位置が動いていないことを意味する。この原因としては、界面準位密度が非常に高く、界面のフェルミレベルが動かない、または高輝度な励起X線照射の影響により界面に高密度の電子が蓄積していることが考えられる。この結果から、試料へ正しくバイアスが印加されていることは確認できたが、何らかの影響で半導体側への電圧印加が阻害されていることがわかった。

　また、SiO₂成分のピークシフトは半導体Si成分のピークシフトより小さいことがわかる。これはSiO₂に印加されたバイアスによってSiO₂中のバンドに傾きが生じるためである。SiO₂成分のピーク形状からSiO₂膜中のバンド形状、つまり深さ方向の電界の分布を評価することが可能である。精度良くバンド形状を評価するためには、光電子取り出し角を変化させて、光電子スペクトルを取得する必要があるが^[3]、今回取得した光電子取り出し角80°のみのスペクトルにおいても、酸化膜中の電界に関する情報を得ることが可能である。例えば、酸化膜中の電界が最も小さくなりバンド形状がフラットになるバイアス、つまりフラットバンド電圧ではSiO₂成分のピーク形状が最も鋭くなるはずである。Si 1s光電子スペクトルにおけるSiO₂成分の半値幅の変化からフラットバンド電圧を見積もったところ、Si(111)-MOSでは+0.50 V、Si(001)-MOSでは+0.56 Vであった。

図3．バイアス0 Vを基準としたSi 1s光電子スペクトルにおける半導体Si成分とSiO₂成分のピークシフト。

(a) Si(111)基板上MOS、(b) Si(001)基板上MOS

参考文献：

[1] H. Kobayashi, K. Namba, Y. Yamashita, Y. Nakato and Y. Nishioka, Surf. Sci., 455, 357-358 (1996).

[2] S. Tanuma, C. J. Powell and D. R. Penn, Surf. and Interface Anal., 21, 165-176 (1993).

[3] T. Narita, D. Kikuta, N. Takahashi, K. Kataoka. Y. Kimoto, T. Uesugi, T. Kachi and M. Sugimoto, Phys. Stat. Solidi A, 208, 1541 (2011).

©JASRI

(Received: February 18, 2013; Accepted: November 1, 2013; Published: December 10, 2013)