I junction
(a) (b) (c)
共同プロジェクト研究
採択回数 １ ２ ３
（先端・萌芽・国際）
採択番号： H29/A08
新 IV 族半導体ナノ構造の原子層制御と デバイス高性能化に関する研究
［１］組織 研究代表者
櫻庭 政夫（東北大学電気通信研究所）
通研対応教員
櫻庭 政夫（東北大学電気通信研究所）
研究分担者 室田 淳一
（東北大学マイクロシステム融合研究開発センター）
上原 洋一 （東北大学電気通信研究所）
末光 眞希 （東北大学電気通信研究所）
鷲尾 勝由 （東北大学大学院工学研究科）
川島 知之 （東北大学大学院工学研究科）
財満 鎭明 （名古屋大学大学院工学研究科）
中塚 理 （名古屋大学大学院工学研究科）
宮崎 誠一 （名古屋大学大学院工学研究科）
高木 信一 （東京大学大学院工学研究科）
鳥海 明 （東京大学大学院工学研究科）
奥村 次徳 （首都大学東京理工学系）
伊藤 利道 （大阪大学大学院工学研究科）
酒井 朗 （大阪大学大学院基礎工学研究科）
野崎 眞次 （電気通信大学電子工学科）
田部 道晴 （静岡大学電子工学研究所）
堀口 誠二
（秋田大学大学院工学資源学研究科）
佐道 泰造
（九州大学大学院システム情報科学研究院）
須田 良幸
（東京農工大学総合メディアセンター）
中川 清和 （山梨大学医学工学総合研究部）
塩島 謙次 （福井大学大学院工学研究科）
阿部 孝夫 （信越半導体（株））
国井 泰夫 （日立国際電気（株））
水島 一郎
（（株）東芝セミコンダクター＆ストレージ社）
Bernd Tillack （ドイツ・IHP） Matty Caymax （ベルギー・IMEC）
James Sturm （米国・プリンストン大学）
Eugene Fitzgerald
（米国・マサチューセッツ工科大学）
Joerg Schulze
（ドイツ・シュトゥットガルト大学）
Vinh Le Thanh （フランス・マルセイユ大学）
Stefano Chiussi （スペイン・ビゴ大学）
Roger Loo （ベルギー・IMEC） Dan Buca
（ドイツ・ユーリッヒ研究センター）
Detlev Grützmacher
（ドイツ・ユーリッヒ研究センター）
延べ参加人数：34人
研究費
物件費 97,000円
旅費 301,000円
国際特別支援費 220,000円
［２］研究経過
［目的］Si ベースIV 族半導体を用いた大規模 集積回路を高性能化・新機能化するために、高
Ge 比率Si-Ge 混晶やGeをベースとした新IV
族半導体材料を用いたナノ構造形成・ドーピン グ制御並びにデバイス製作技術の開発が進め られつつある。その中で、ナノメートルオーダ での界面急峻性や局所的不純物濃度の評価・分 析やその精密制御が重要な研究課題として残 されている。本研究では、これまでの化学気相
成長法（CVD）によるSi-Ge 系原子層積層の研
究成果を基盤として、新IV 族半導体ナノ構造 における異種原子の偏析・拡散現象を系統的に 明らかにするとともに、新IV 族半導体ナノ構 造形成の精密制御の実現を目標とする。そして、
異種原子層配列制御の観点から、新IV 族半導 体デバイスプロセスの技術基盤構築を目指す ものである。
共同プロジェクト研究
［概要］本研究代表者らは、これまで構築して
きた Si-Ge 系 IV 族半導体の原子層積層 CVD
技術により、異種原子層配列制御やIV 族半導 体中のキャリアの高移動度化と高濃度化の可 能性を示してきた。その中で、既存の方法では 困難であったナノメートルオーダでの界面急 峻性や局所的不純物濃度を推定するための評 価・分析方法を模索し、その精密制御の必要性 を示唆する結果を得てきた。本プロジェクトは 本年度が第2年度であり、研究代表者らのこれ までの研究成果を基盤として、実用性の極めて 高いCVD による新IV 族半導体ナノ構造形成 の実験と評価・分析を通して、異種原子の偏 析・拡散現象を系統的に明らかにする研究を展 開した。
［研究集会等の開催状況］本研究プロジェクト が中心となり、以下の４つの国際会議・国際ワ ークショップを開催した。
・ SiGeテクノロジー＆デバイス国際会議＆Si エピタキシー＆ヘテロ構造国際会議 (1st Joint Conf. of 9th Int. SiGe Technology and Device Meeting (ISTDM) and 11th Int. Conf. on Silicon Epitaxy and Heterostructures (ICSI), Potsdam, Germany, May 27-31, 2018, 副組織委 員長＆プログラム委員：室田淳一,
https://www.istdm-icsi-2018.com/ )
・ SiGe, Ge及び関連化合物：材料・プロセス・
デバイス国際会議 (Symp. G03: SiGe, Ge, and Related Compounds: Materials, Processing, and Devices 8, AiMES 2018, ECS and SMEQ Joint International Meeting, Cancun, Mexico, Sep.
30-Oct. 4, 2018, ジェネラル委員＆シンポジ ウムオーガナイザー：室田淳一, エピタキシ ー部門委員：櫻庭政夫,
http://www.sigesymposium.org/ECS_SiGe/ )
・ IEEE固体集積回路技術国際会議 (14th IEEE Int. Conf. on Solid-State and Integrated Circuit Technology (ICSICT), Qingdao, China, Oct.
31-Nov. 3, 2018, プログラム委員：室田淳一，
http://www.icsict.com/ )
・ 新IV族半導体ナノエレクトロニクス国際ワ ークショップ (12th Int. WorkShop on New Group IV Semiconductor Nanoelectronics, Tohoku Univ., Sendai, Japan, Dec. 6-7, 2018, 組 織委員長：櫻庭政夫, プログラム委員長：室 田淳一,
http://www.murota.riec.tohoku.ac.jp/EI4GroupIV -WS2018Dec/ )
［３］成果
（３－１）研究成果
本年度は、熱CVDによるSiやGe 、SiGe混 晶のエピタキシャル成長中の In-Situ ドーピン グにおいて、成長途中に不純物原料ガス供給停 止した場合の不純物濃度分布の変化などにつ いて実験を行い、不純物が取りこまれる現象と 偏析現象との間の関係について研究を進めた 結果、以下に示す研究成果を得た。
まず第１に、Pドーピングの実験において、
P原子がSiやGeの成長表面に偏析し、そのう ちの一部がSiやGeキャップ層中に取り込まれ ることを確認した。また、Pの表面偏析は、Si 成長中に比べてGe成長中の方が起こりやすく、
これはPが取りこまれる時の反応速度定数が、
Ge成長時に比べてSi成長時の方が大きいこと を見いだした。さらに、X線光電子分光装置へ の試料搬送中に表面偏析した P 原子が脱離す る現象についても調べ、成長直後の表面P原子 密度を推定できるようにした。
第２に、Bドーピングの実験において、B原 子のほとんどはSiやGeキャップ層中に取り込 まれ、SiやGeの成長表面に偏析することはほ とんどないことを明らかにした。また、成長直 後の表面 B 原子密度は検出限界以下であるこ とを確認した。
第３に、上記の実験結果から、不純物の取り こまれる現象と偏析現象との間の関係を定式 化するとともに実験データとのフィッティン グを試みた。特に、SiH4、GeH4、B2H6 の各分 子が、B2H6分子がすでに反応したサイト上にお いても吸着・反応するような機構を追加するこ とにより、高濃度Bドーピング時の実験結果を 定量的に説明できようになることを確認した。
以上のように、不純物が取りこまれる現象と 偏析現象との間の関係を定量的に表現する手 法を構築した。成長中の偏析現象を直接的に観 測することは困難であることから、本成果は、
Si集積回路の高性能化に不可欠となるSiやGe のエピタキシャル成長層中の原子レベルで急 峻なドーピングプロファイルを実現する上で 極めて有用である。
以上の成果は、外部研究機関分担者との共同 研究成果を含めて国際会議論文及び学術誌論 文（合計2件）として発表した。
本研究プロジェクトは国際共同研究推進型 であり、国際共同研究への発展を促進すること を目的としていることから、仙台で開催した国 際ワークショップへの海外共同研究者（ドイツ
2名、フランス1名）の招聘旅費の一部として 特別支援費を使用した。
（３－２）波及効果と発展性、研究分野への貢献など 本プロジェクトは、学外研究者との交流が飛 躍的に活性化することを念頭に置いて進めら れており、前述のような先端的・萌芽的な研究 成果を得てきているものである。今後も本分野 の研究推進により 新 IV 族半導体ナノ構造の 原子層制御の学問分野が大きく発展すると期 待されていることから、平成31 年度以降には 以下のリストに示すような関連国際会議・国際 ワークショップの開催が決定・計画されている。
・ SiGeテクノロジー＆デバイス国際会議とSi
エピタキシー＆ヘテロ構造国際会議の合同 会議 (2nd Joint Conf. of 10th Int. SiGe Technology and Device Meeting (ISTDM) &
12th Int. Conf. on Si Epitaxy and Heterostructures (ICSI), Univ.
Wisconsin-Madison, WI, USA, Jun. 3-6, 2019, 国際諮問委員：室田淳一,
https://www.istdm-icsi-2019.com/ )
・半導体プロセスインテグレーション国際会 議 (Symp. G03: Semiconductor Process Integration 11, 236th Meeting of the Electrochem. Atlanta, GA, USA, Soc., Oct.
13-17, 2019, シンポジウムオーガナイザ
ー：室田淳一,
https://www.electrochem.org/236/ )
・半導体界面制御国際会議＆新IV族半導体ナ ノエレクトロニクス国際ワークショップ (8th Int. Symp. on Control of Semiconductor Interfaces (ISCSI-VIII) & 13th Int. WorkShop on New Group IV Semiconductor
Nanoelectronics, RIEC, Tohoku Univ., Sendai, Japan, Nov. 27-30, 2019, International Advisory Committee : 室田淳一, Local Arrangement Committee：櫻庭政夫, http://iscsi8.org/ )
・ SiGe, Geと関連化合物の材料・プロセス・
デバイスに関する国際会議 (Symp. : SiGe, Ge, and Related Compounds: Materials,
Processing, and Devices 9, Pacific Rim Meeting (PRiME 2020) on Electrochem. and Solid-State Sci., Hawaii, USA, Oct. 4-9, 2020, ジェネラ ル委員＆シンポジウムオーガナイザー：室 田淳一, エピタキシー部門委員：櫻庭政夫, http://www.sigesymposium.org/ )
これらにより実現される国際交流活動は、新 IV 族半導体ナノ構造における物理現象を踏ま えたナノデバイス製作技術、回路・システム化
技術の構築と産学独連携体制構築を含む研究 活動推進が産業発展のために重要であり、世界 規模での研究連携を支えていくものと期待さ れる。
［４］成果資料
(1) J. Murota, Y. Yamamoto, I. Costina, B.
Tillack, V. Le Thanh, R. Loo and M.
Caymax, “Atomically Controlled
Processing for Dopant Segregation in CVD Silicon and Germanium Epitaxial Growth”, ECS J. Solid State Sci. Technol., Vol.7, No.6 (2018) pp.P305-P310.
(2) J. Murota, “Langmuir-Type Mechanism for In-Situ Boron Doping in CVD Si1-xGex
Epitaxial Growth” (Invited Paper), 14th IEEE Int. Conference on Solid-State and Integrated Circuit Technology (ICSICT), Qingdao, China, Oct. 31-Nov. 3, 2018, No.S13-2.
(3) Y. Yamamoto, Y. Itoh, P. Zaumseil, M. A.
Schubert, G. Capellini, F. Montalenti, K.
Washio and B. Tillack, “Alignment control of self-ordered three dimensional SiGe nanodots”, Semicond. Sci. Technol., Vol.33 (2018) pp.114014 (7pp).
(4) Y. Yamamoto, P. Zaumseil, M. A. Schubert and B. Tillack, “Influence of annealing conditions on threading dislocation density in Ge deposited on Si by reduced pressure chemical vapor deposition”, Semicond. Sci.
Technol., Vol. 33 (2018) pp.124007 (6pp).
(5) Y. Yamamoto, Y. Itoh, P. Zaumseil, M. A.
Schubert, G. Capellini, K. Washio and B.
Tillack, “Self-Ordered Ge Nanodot Fabrication by Using Reduced Pressure Chemical Vapor Deposition”, ECS J.
Solid State Sci. Technol., Vol.8, No.3, (2019) pp.P190-P195.
採択回数 １ ２ ３
（先端・萌芽）
採択番号： H29/A09
各種 high-k/Ge 構造において
成膜後プロセスがもたらす効果の検討
［１］組織
研究代表者：岡本 浩
（弘前大学大学院理工学研究科） 通研対応教員：佐藤 茂雄
（東北大学電気通信研究所） 研究分担者：
室田 淳一（東北大学マイクロシステム融合
研究開発センター）
櫻庭 政夫（東北大学電気通信研究所）
小野 俊郎（弘前大学大学院理工学研究科）
王谷 洋平（公立諏訪東京理科大学工学部）
延べ参加人数：９人
研究費
物件費 97,000 円
旅費 148,000 円
［２］研究経過
集積度の限界に差しかかっている Si-MOS デバイ スにおいて high-k 絶縁膜や立体構造の導入が進ん でいるが，さらなる高性能化，低消費電力化を目指 して高移動度チャネル層の導入が検討されている。
チャネル層の候補としては Si プロセスとの整合性 が良く，かつ Si に比べ電子と正孔両方の移動度が大 きい Ge が最有力候補の１つであるが，従来の Si-SiO2-MOS 構造に対し，良好な界面や高品質な絶 縁膜を得ることが難しいという問題がある。近年，
適切な条件下で形成されたGeO2やGeNx中間層を導入 することにより最も重要な課題であった MOS(MIS) 構造における界面準位密度（Dit）の低減が進んでお り，提案者らのグループも ECR (Electron Cyclotron Resonance)プラズマ法やリモートプラズマ源による 酸素ラジカルを用いた ALD 法（REALD 法）による絶 縁膜形成により，低い界面準位密度を有する Ge-MIS 構造を実現している。しかしながらその界面の物理 に関しては未だ不明な点が残されている。例えば課 題の一つとして成膜後や電極形成後におけるアニー
ルによる特性向上とそのメカニズムの解明が求めら れている。
本プロジェクトは開始２年目となるが，前回まで のプロジェクト研究（H20/A03「ECR スパッタによる 高誘電体ゲート膜の基板界面品質制御」，H23/A03「原 子層レベルで制御された Si 並びに Ge-MIS 構造の作 製技術とその界面評価技術の開発」，及び H26/A03
「プラズマプロセスによる各種 high-k/Ge 構造の作 製と界面近傍のトラップの評価」）の成果である，低 密度界面準位 Ge-MIS 構造の作製と界面準位密度の 高精度な評価手法，界面近傍の絶縁膜中や半導体中 に存在するトラップの評価技術を引き継ぐものであ る。メンバー間の通常の打合せは主として e メール による紙上会議にて実行し，東北大学電気通信研究 所にて成果報告を行った。
今回は前回プロジェクト後半から新たな知見が得 られつつある high-k 絶縁膜/Ge 構造について，電極 形成後アニールによる特性向上とそのメカニズムの 解明に向けた実験及び昨年度の検討における Ge 基 板の p 型と n 型による特性差に関する考察の見直し を行った。
［３］成果
（３－１）研究成果
昨年度までのプロジェクト研究において各種の high-k/Ge-MIS 構造を複数のプロセス手法によって 形成し，評価を行っている。そのうち以下に酸化物 系絶縁膜を用いた Ge-MOS 構造の例を示す。 i) Al2O3/GeO2/Ge 構造
プロセス手法：(ECR プラズマ酸化+ECR スパッ タ)[1]，(酸素ラジカル酸化+REALD)[2]
ii) Al2O3/Al ジャーマネイト/Ge 構造
プロセス手法：REALD 法による自発形成[3,4] iii) HfO2/Hf ジャーマネイト/Ge 構造
プロセス手法：REALD による自発形成[5] iv) HfO2/Al ジャーマネイト/Ge 構造
プロセス手法：(REALD による自発形成+REALD)[5]， (ALD+酸素ラジカル照射+ALD)[6]