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| 次世代半導体基板の開発に関する基礎研究 |
半導体集積回路（Large-scale Integration，LSI）の高性能化は，専ら微細化によって進められてきました．これは，LSIの寸法を縮小することにより，高速化と低消費電力化を同時に達成可能とするスケーリング側に依るものです．ところが，チャネル（ソース・ドレイン間の領域）幅やゲート絶縁膜（メタルゲート・チャネル間の絶縁領域）が極めて微小になると，素子間に量子力学的効果が働くようになり，それに起因してリーク電流が発生する問題が顕在化してきました．それと同時に，LSIの排熱処理の問題や配線の寄生容量などもデバイス性能劣化の大きな要因として表面化するようになり，現在では，スケーリング則の限界が指摘されています．当研究室では，スケーリング則に替わるLSIの新たな高性能化技術の一つとして，(1)複合結晶面Si基板，(2)Si(110)基板，(3)Ge/Si(100)構造の3つに注目した基礎研究を行っています．
(1)複合結晶面基板の界面構造とゲッタリング
(2)Si(110)清浄表面の構造と酸化初期課
(3)単結晶Ge中およびGe/Si(100)構造における点欠陥や金属原子の挙動
複合結晶面Si基板の構造を下図に示します．これは，Siを基板材料として用いた時，nMOS, pMOS FETがそれぞれ最も効率的に動作するように，結晶面と結晶方位が最適化された基板です．この基板の最大の特徴はデバイス活性層直下にSi(110)/(100)直接接合界面が存在することです．今後，高性能デバイス用基板としての適用を目指したときに，接合界面の結晶性や物性を理解することは非常に重要なテーマです．そこで，我々は分子シミュレーションを用いて，この接合界面の構造や不純物ゲッタリングに関する原子レベルの解析を行なっています．
主要な研究成果
【学術論文】
1. Molecular simulation on interfacial structure and gettering efficiency of direct silicon bonded (110)/(100) substrates : Hiroaki Kariyazaki, Tatsuhiko Aoki, Koji Izunome, and Koji Sueoka, J. Appl. Phys. 107, 113509 (2010).
2. First principles calculation on screw defects at Si(110)/(100) interface : Hiroaki Kariyazaki, Tatsuhiko Aoki, Koji Izunome, and Koji Sueoka, to be published in Physica Status Solidi.
3. Gettering efficiency of Si (110)/(100) directly bonded hybrid crystal orientation substrates : Tatsuhiko Aoki, Hiroaki Kariyazaki, Koji Sueoka, Eiji Toyoda, and Koji Izunome, Jpn. J. Appl. Phys. 49, 035501 (2010).
【国際会議論文】
1. Molecular simulation on interfacial structure and gettering efficiency of Si (110)/(100) directly bonded hybrid crystal orientation substrates : H.Kariyazaki, T.Aoki, K.Izunome, K.Sueoka, Solid State Phenomena, 156-158, 199 (2010).
2. Gettering efficiency of Si (110)/(100) directly bonded hybrid crystal orientation substrates : T.Aoki, H.Kariyazaki, K.Sueoka, K.Izunome, Solid State Phenomena, 156-158, 369 (2010).
3. Molecular simulation on hybrid orientation substrates for next generation of LSI : H.Kariyazaki, T.Aoki, S.Shiba, K.Izunome, K.Sueoka, Proc. Int. Symp. Advanced Science and Technology of Silicon Materials, 108 (2008).
4. Gettering efficiency of Si (110)/(100) directly bonded hybrid crystal orientation substrates, T.Aoki, H.Kariyazaki, K.Sueoka, E.Toyoda, K.Izunome, Proc. Int. Symp. Advanced Science and Technology of Silicon Materials, 295 (2008).
5. Characterization of bonding structures of directly bonded hybrid crystal orientation substrates : T.Aoki, H.Kariyazaki, E.Toyoda, K.Izunome, K.Sueoka, The Forum on the Science and Technology of Si Materials, 48 (2007).
【シンポジウムにおける依頼講演】
1. HOT基板の接合界面におけるゲッタリング特性 : 仮屋崎弘昭，青木竜彦，泉妻宏治，末岡浩治，応用物理学会シリコンテクノロジー分科会，110, 19 (2009).
2. HOT基板開発を目的とした分子シミュレーション : 仮屋崎弘昭，青木竜彦，泉妻宏治，末岡浩治，半導体ネットおかやま，(2008).
3. 次世代LSI用のHybrid Orientation Technology (HOT) 基板開発に関する基礎研究 : 青木竜彦，仮屋崎弘昭，泉妻宏治，末岡浩治，半導体ネットおかやま，(2008).
【表彰】
1. European Materials Research Society Spring Meeting 2010 Young Scientist Award
2. 2009年応用物理学会中国四国支部学術講演会奨励賞
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スケーリング則に替わるLSIの新たな高性能化技術の一つとして，Si(110)ウェーハの適用があります．この理由は，Si(110)面のホール移動度が現在主流のSi(100)面と比較して2.5倍高いためです．しかしながら，Si(110)面に関する研究報告は他の低指数面と比較して極めて少なく，その実用化には基礎研究の充実が不可欠と考えられます．当研究室では，第一原理計算を用いてSi(110)清浄表面の構造や酸化初期過程に関する基礎研究を行っています．
図1 Si (110)清浄表面の安定構造に関する第一原理計算
図2 Si (110)清浄表面における酸化初期過程に関する第一原理計算
主要な研究成果
【学術論文】
1. T. Nagasawa, S. Shiba and K. Sueoka, “First-Principles Study on Initial Stage of Oxidation on Si (110) Surface”, to be published in Physica Status Solidi.
【国際会議論文】
1. T. Nagasawa, S. Shiba and K. Sueoka, “First-Principles Study on Initial Stage of Oxidation on Si (110) Surface”, presented in The European Materials and Research Society Spring Meeting in Strasbourg, (2010).
2. T. Nagasawa, S. Shiba and K. Sueoka, “First Principles Calculation on Initial Stage of Oxidation of Si (110) Surface”, 5th International Symposium on Advanced Science and Technology of Silicon Materials in Kona, Hawaii, (2008) pp.113-117.
【表彰】
1. 長澤 崇裕：第26回（2009年春季）応用物理学会講演奨励賞“Si（110）表面1ML酸化膜形成過程に関する第一原理解析”
2. 長澤 崇裕 ：応用物理学会中国四国支部第13回（2008年）学術講演会奨励賞“Si(110)表面酸化初期過程に関する第一原理解析”
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| (3)単結晶Ge中およびGe/Si(100)構造における点欠陥や金属原子の挙動 |
ポストスケーリング時代の次世代新材料技術として，Siよりもキャリア移動度が高いGe薄膜の適用が検討されています．当研究室では，第一原理計算を用いて，単結晶Ge中およびGe/Si(100)構造における点欠陥や金属原子の拡散機構や安定性に関する基礎研究を行っています．
主要な研究成果
【学術論文】
1. J. Vanhellemont, P. Śpiewak, K. Sueoka and I. Romandic, “On Intrinsic Point Defect Cluster Formation during Czochralski Crystal Growth”, Phys. Status Solidi C, 6, (2009) pp.1906-1911.
2. P. Śpiewak, J. Vanhellemont, K. Sueoka, K.J. Kurzydłowski and I. Romandic, “Ab-initio Simulation of Self-interstitial in Germanium”, Materials Science in Semiconductor Processing, 11, (2008) pp.328-331.
3. P. Śpiewak, J. Vanhellemont, K. Sueoka, K.J. Kurzydłowski and I.Romandic, “First Principles Calculations of the Formation Energy and Deep Levels Associated with the Neutral and Charged Vacancy in Germanium”, J. Appl. Phys., 103, (2008) pp.086103-1-086103-3.
4. J. Vanhellemont, P. Śpiewak and K. Sueoka, “On the Stability and Diffusivity of the Intrinsic Point Defects in Germanium” J. Appl. Phys., 101, (2007) pp.036103-036105.
5. K. Sueoka and J. Vanhellemont, “Ab Initio Studies of Intrinsic Point Defects, Interstitial Oxygen and Vacancy or Oxygen Clustering in Germanium Crystals”, Materials Science in Semiconductor Processing, 9, (2006) pp.494-497.
【国際会議論文】
1. **K. Sueoka, P. Śpiewak and J.Vanhellemont, “Ab Initio Analysis of Point Defects in Plane-Stressed Si or Ge Crystals”, 7th International Symposium on Analytical and Diagnostic Techniques for Semiconductor Materials, Devices, and Processes in Washington, The Electrochem. Soc. Proceedings, 11, (2007) pp.375-391. (invited)
2. K. Sueoka and J. Vanhellemont, “Ab Initio Studies of Intrinsic Point Defects, Interstitial Oxygen and Vacancy or Oxygen Clustering in Ge Crystals”, presented in The European Materials and Research Society Spring Meeting in Nice, (2006).
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