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論文

Characterization of monolayer oxide formation processes on high-index Si surface by photoelectron spectroscopy with synchrotron radiation

安部 壮祐*; 大野 真也*; 兼村 瑠威*; 吉越 章隆; 寺岡 有殿; 尾形 祥一*; 安田 哲二*; 田中 正俊*

Applied Physics Express, 6(11), p.115701_1 - 115701_4, 2013/11

 被引用回数:3 パーセンタイル:15.85(Physics, Applied)

Thermal oxidation of high-index silicon surfaces, Si(113), Si(331) and Si(120) in a monolayer regime has been investigated by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) with synchrotron radiation. The oxide thickness, composition and band bending are evaluated by peak deconvolution of the Si 2p core level XPS spectra. We found that changes in the oxide composition correlate with changes in the band bending. This reveals that production of the Si$$^{4+}$$ state is associated with the Si ejection process accompanied by the production of vacancies. We found that reactivity of the Si(120) surface in oxidation is drastically reduced at reaction temperatures below 690 K.

口頭

超音速分子線を用いたSi高指数面初期酸化過程の解析

大野 真也*; 井上 慧*; 百瀬 辰哉*; 兼村 瑠威*; 吉越 章隆; 寺岡 有殿; 尾形 祥一*; 安田 哲二*; 田中 正俊*

no journal, , 

Siナノワイヤトランジスタ等の3次元構造を持つMOSFET構造においてはさまざまな面方位のSiO$$_{2}$$/Si界面が存在する。このためSi高指数面におけるSiO$$_{2}$$/Si界面構造のより詳細な理解が求められている。本研究では、SPring-8 BL23SUの表面化学実験ステーション(SUREAC2000)において0.8-2.26eVの並進運動エネルギーを持つ酸素の超音速分子線を用いて実験を行った。Si(001)とSi(113)はほぼ同様の並進運動エネルギー依存性を示すことがわかった。Si(113)表面の2層目のバックボンドへの酸化に対応するしきい値が1.51-2.26eVであることを示す結果を得た。

口頭

超音速分子線を用いたSi初期酸化促進反応における面方位依存性の解析

大野 真也*; 井上 慧*; 百瀬 辰哉*; 兼村 瑠威*; 吉越 章隆; 寺岡 有殿; 尾形 祥一*; 安田 哲二*; 田中 正俊*

no journal, , 

Siナノワイヤトランジスタ等の3次元構造を持つMOSFET構造においてはさまざまな面方位のSiO$$_{2}$$/Si界面が存在する。そのひとつであるSi(113)面においても、単原子層における酸化過程は二層目以降の酸化過程に影響を及ぼす。そこで、極薄酸化層の構造や組成を精密に制御するため、単原子層レベルでの酸化反応機構を研究した。実験はSPring-8の原子力機構専用ビームラインBL23SUの表面化学実験ステーションにおいて実施した。超音速酸素分子線の並進運動エネルギーを0.8eVから2.3eVの間で変化させることにより、Si(113)面に対する酸化促進効果に着目した。並進運動エネルギーが大きいほどSi(001)の場合と比べてSi$$^{2+}$$強度が顕著に減少し、逆にSi$$^{4+}$$強度が増加する傾向が観察され、酸化膜の化学組成はSiO$$_{2}$$により近づくことが明らかになった。

口頭

Si高指数面熱酸化過程における温度依存性の解析

安部 壮祐*; 大野 真也*; 兼村 瑠威*; 吉越 章隆; 寺岡 有殿; 尾形 祥一*; 安田 哲二*; 田中 正俊*

no journal, , 

シリコン高指数面における酸素分子による初期酸化過程を放射光光電子分光法でその場観察した。Si(001)とSi(113)におけるSi2p内殻光電子スペクトルの温度依存性を評価した。いずれの面においても温度上昇とともにSi$$^{4+}$$強度が増大するがその変化はSi(113)の方が大きい。またSi$$^{2+}$$強度はSi(113)ではより小さい。したがって、Si(113)では界面にサブオキサイドが少ないため、より絶縁性の高いシリコン酸化膜が形成されていると考えられる。

口頭

超音速分子線を用いたSi高指数面初期酸化過程の解析,2

大野 真也*; 兼村 瑠威*; 安部 壮祐*; 井上 慧*; 百瀬 辰哉*; 吉越 章隆; 寺岡 有殿; 尾形 祥一*; 安田 哲二*; 田中 正俊*

no journal, , 

本研究では、0.8eVから2.26eVの並進運動エネギーを持つ酸素の超音速分子線を用いて、Si(001)面とSi(113)面の初期酸化のリアルタイム光電子分光観察を行った。並進運動エネルギーの増加に伴ってSi(113)面ではSi(001)面と比べてSi$$^{2+}$$強度が顕著に減小した。同様の傾向は熱酸化においても観測されている。すなわち、Si(113)面上に形成される極薄酸化膜の方がSiO$$_{2}$$により近い状態となる。O1s内殻光電子スペクトルを高結合エネルギー成分(HBC)と低結合エネルギー成分(LBC)に分解して解析した結果、酸素分子線の並進運動エネルギーが大きいほどLBC成分が減少することがわかった。熱酸化の場合、LBCには歪みの大きいSi-O-Si結合の寄与が含まれていると考えられている。したがって、LBCの減少は高い並進運動エネルギーを与えて酸化することによって、より歪みの緩和が起こっていることを示している。

口頭

Real-time observation of thermal oxidation process on high-index silicon surfaces by means of photoemission spectroscopy with synchrotron radiation

大野 真也*; 安部 壮祐*; 兼村 瑠威*; 吉越 章隆; 寺岡 有殿; 尾形 祥一*; 安田 哲二*; 田中 正俊*

no journal, , 

The initial oxidation on high-index silicon surfaces with (001), (113), (120) and (331) orientations at 340-920 K has been investigated by real-time X-ray photoemission spectroscopy using 687 eV photons. Based on the study of Si(001), it has been shown that O 1s state can be decomposed into two components, low-binding-energy component (LBC) and high-binding-energy component (HBC). Analysis of the O 1s state indicated that the O atom in the strained Si-O-Si structure contributes to LBC, although this state was assigned to the suboxide components. Temperature dependence of the ratio of LBC and HBC indicated that relaxation of the interface strain occurs above a certain critical temperature except Si(113). We observed an abrupt change of the Si$$^{4+}$$ intensity above 820 K for Si(120). LEED patterns suggest that no surface reconstruction occurs on this surface, indicating that growth mode changes due to instability of the surface structure.

口頭

Si高指数面熱酸化過程における温度依存性の解析,2

安部 壮祐*; 大野 真也*; 兼村 瑠威*; 吉越 章隆; 寺岡 有殿; 尾形 祥一*; 安田 哲二*; 田中 正俊*

no journal, , 

3次元構造を持つSiナノワイヤトランジスタの研究が活発に行われている。新たに提案されているMOSFET構造にはさまざまな面方位のSiO$$_{2}$$/Si界面が存在する。このため、ナノスケールでのSi高指数面上の酸化膜の組成や構造の理解が必要である。本研究ではSi(001), Si(113), Si(120), Si(331)の面方位基板を用い、酸化温度342-923K、酸化圧力1$$times$$10$$^{-5}$$Paの条件で熱酸化を行った。リアルタイム光電子分光によって得たSi2pの各酸化数成分の時間変化から、いずれの温度においても熱酸化とともにSi$$^{4+}$$の成分が最も大きくなり、Si$$^{1+}$$, Si$$^{2+}$$の強度は相対的に低くなることがわかった。823KではSi$$^{4+}$$成分が支配的であり、組成がSiO$$_{2}$$に近い良質な酸化膜が形成される。

口頭

Si高指数面熱酸化過程におけるSi$$_{2}$$/Si界面構造と電子状態

安部 壮祐*; 大野 真也*; 兼村 瑠威*; 吉越 章隆; 寺岡 有殿; 尾形 祥一*; 安田 哲二*; 田中 正俊*

no journal, , 

平面型のSiトランジスタではリーク電流の制御が困難になるなど、デバイスの微細化は限界を迎えつつある。その限界を打破するため、三次元構造を持つSiナノワイヤトランジスタ等のMOSFET構造が提案されている。これらには、さまざまな面方位のSiO$$_{2}$$/Si界面が存在する。このため、Si高指数面で形成される酸化膜の組成や構造のナノスケールでの理解が重要となる。試料にはSi(001), Si(113), Si(120), Si(331)の4つの面方位の基板を用い、酸化温度342-923K、酸化圧力1$$times$$10$$^{-5}$$Paの条件で熱酸化を行った。(120)面で温度上昇による酸化膜厚の変化量が最大となり、次いで(113), (001), (331)面の順に変化量は減少した。Si(120)面ではこれまで知られていない新しい種類の成長モードの変化が起こっている可能性がある。

口頭

熱酸化と超音速分子線によるSi(113)表面酸化過程の比較検討

大野 真也*; 安部 壮祐*; 兼村 瑠威*; 三浦 脩*; 成重 卓真*; 井上 慧*; 百瀬 辰哉*; 吉越 章隆; 寺岡 有殿; 尾形 祥一*; et al.

no journal, , 

Siナノワイヤトランジスタ等の3次元構造を持つMOSFETにおいてはさまざまな面方位のSiO$$_{2}$$/Si界面が存在する。このため、Si高指数面上に形成される極薄酸化膜の構造や電子状態の詳細な理解が求められている。本研究では、SPring-8 BL23SUの表面化学実験ステーション(SUREAC2000))において酸化過程のリアルタイム光電子分実験を行った。熱酸化過程については基板温度を340Kから920Kとした。分子線酸化過程については並進運動エネルギーが1.12eVから2.32eVの超音速分子線を用いて初期酸化反応を研究した。その結果、820KにおいてはSi(113)ではO1s光電子スペクトルの高結合エネルギー成分(HBC)の強度が顕著に減少することがわかった。この傾向は熱酸化と分子線酸化のすべての条件で共通している。このHBC強度の減少はSi(113)面において歪んだSi-O-Si結合が形成されやすいことに対応する。また、熱酸化ではSi$$^{4+}$$状態が支配的であるのに対して、室温で行った分子線酸化ではSi$$^{3+}$$状態が支配的となる現象を見いだした。

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