制限反応スパッタ製膜法による高誘電率YSZ絶縁膜の研究

ZrO_2(二酸化ジルコニュウム、ジルコニア)は、比誘電率20〜25を持ちMOSFET用ゲート絶縁物として有望視されている。しかし、Si基板上に直接堆積するとSi表面が酸化し、低誘電率のSiO_2が生じ静電容量を増大できない。そこで、SiO_2の生成を抑制しかつ損傷を与えず数nmの極薄かつ高品質ZrO_2膜を堆積するための制限反応スパッタ法を開発した。まずZrO_2が結晶化せずかつSi表面が酸化されない最高基板温度を調べたところ、300℃が最適であることが判った。次に、最適酸素流量を調べたところ、膜誘電率は酸素流量比(=O_2/(Ar+O_2))4.2%で最大となった。さらに熱処理効果について検討したところ、500℃10秒間の短時間熱処理では、Si界面のSiO_x層がわずかに増加するが、同時にZrO_2膜の構造欠陥も除去されその結果誘電率が増大し、全体としてSiO_2換算膜厚は1.5nm1から1.15nmに小さくなった。しかし、700℃以上の熱処理では、SiO_x層が増大し漏れ電流特性は改善されるがSiO_2換算膜厚は増大した。以上本研究において、極薄ZrO_2膜作製における最適条件を明らかにした。A new sputtering film deposition method, named Limtted Reaction Sputtering Technique, was developed and investigated. Using this technique, YSZ and ZrO2 dielectric films were synthsized for gate materials of next generation MOSFETs. The Si substrate surface oxidation was suppressed consequently a high specific dielectric constant as high as over 20 was obtained. On conventional sputtering technique using oxide target, oxigen ions and radicals are easily to be generated, thus Si is oxidized significantly. However, this teconique does not genarate them, resulting in clear interface between Si substrate and deposited films.研究課題/領域番号:13650338, 研究期間(年度):2001-2002出典：「制限反応スパッタ製膜法による高誘電率YSZ絶縁膜の研究」研究成果報告書　課題番号13650338 (KAKEN：科学研究費助成事業データベース（国立情報学研究所）)　　　本文データは著者版報告書より作

極薄SiC膜を正孔障壁層に用いる新しいエミッタ構造の研究

金沢大学工学部ECRプラズマCVD成膜法を用い、非晶質SiCより大幅な低低抗化が期待できる微結晶SiCの作製を試みた。400℃という低温プロセス下でも有機シランガス(Si(CH_3)_2H_2)を用いることにより、SiC結晶相を作りだせることが分かった。一方、SiH_4+CH_4ガスを用いた場合、非晶質膜しか得られず、両者の間で際だった違いがみられることより、この原料ガスの分子構造および分子極性が原子配列に影響を及ぼし、SiC結晶の生成に有効に作用していることを推論した。さらに、両原料ガスの分解過程をプラズマ発光分析の手法を用いて検討したところ、SiH_4+CH_4ガス系に比べ有機シランガス系ではSiHn前駆体に関係する発光が弱く、ガス分子中のSi-C結合が保存された状態で成長膜表面にSi-C-H分子が輸送されていることをつきとめ、推論の妥当性を示した。次いで、微結晶のSiC膜のド-ピング特性について検討した結果、N原子がP原子同様n型ドーパントになること、しかも1%程度の添加で膜の抵抗率が100〜300OMEGAcmにまで低下できることおよびNド-ピングの場合、高濃度ド-ピングを行ってもバンドギャップの縮小が起こらないことを明らかにした。このn型微結晶SiCとp型Siとの間でpnヘテロ接合ダイオードを作製したところ、一応の整流特性が得られたが、予想以上に過剰電流成分が多く、そのままではHBT応用上問題となることが分かった。ECR法で生成される強励起された水素イオンがSi基板内部まで進入し、電気的特性の劣化をもたらしたのではないかと予想される。いずれにしてもECR法のような強いプラズマを用いるプロセスは見直しをする必要があると思われる。研究課題/領域番号:05750284, 研究期間(年度):1993出典：研究課題「極薄SiC膜を正孔障壁層に用いる新しいエミッタ構造の研究」課題番号05750284（KAKEN：科学研究費助成事業データベース（国立情報学研究所）） （https://kaken.nii.ac.jp/ja/grant/KAKENHI-PROJECT-05750284/）を加工して作

炭化シリコン超薄膜を正孔障壁層に用いる新しいエミッタ構造の研究

トランジスタのエミッタに、ベースよりバンドギャップの広い材料を用いることにより、従来のトランジスタに比べベースの不純物濃度を高く設定でき、ベース抵抗を低減できる。これにより、素子の動作速度を高めることができる。このエミッタ材料として、非晶質SiCと微結晶Siを提案し、実際にこれらを組み合わせてトランジスタを試作した。まず、微結晶Siのみを用いると結晶成長が生じ、バンドギャップ差を作り出すことができず、低い電流増幅率しか得られなかった。そこで、まずSiC超薄膜を形成し、その上に微結晶Siを堆積したところ、従来の20〜30倍も大きい電流増幅率を持つものができた。しかし、エミッタ抵抗が大きく、高周波測定をしたところ、それによる遅延が比較的大きいことが判明した。このトランジスタの本質的な性能を発揮させるには、エミッタ抵抗を削減しなければならない。次に、ベースのバンドギャップをエミッタのそれより狭くして、バンドギャップ差を作ることを検討した。Siよりバンドギャップの狭い材料としてSiGeを選択し、SiとGeをイオンビームでスパッタすることによりそれを作製した。SiにGeが加わるとエピタキシャル温度が低下し、Si_Ge_では400℃程度の低温でもエピタキシャル成長が可能であることが分かった。さらにECR(電子サイクロトロン共鳴)法を用いて水素プラズマを励起し、それにSiH_4ガスを接触分解させ、Siのエピタキシャル成長を行った。この水素プラズマは、SiH_4ガスの分解だけでなく、堆積したSi膜の一部をエッチングしていることおよびその作用がエピタキシャル成長を促進していることや過度のエッチングは結晶欠陥を引き起こすことが明らかになった。一方、適当な堆積条件を設定すれば、SiO_2基板上にはSi膜は成長せず、Si基板のみにSiのエピタキシャル成長を起こすことができる、いわゆる選択エピタキシャル成長が可能であることが見いだされた。It is possible to reduce the base resistance by introducing wider energy bandgap emitter than a base region. This can make operation speed of bipolar transistor faster. We proposed amorphous SiC (a-SiC) and microcrystalline Si (mu c-Si) for the emitter material and fabricated prototype devices using those. For only using mu c-Si the device showed low current gain because of epitaxial growth which forms the Si homojunction. Whereas, we fabricated devices with a a-SiC ultra-thin film before deposition of a mu c-Si film, resulting in 20-30 times larger current gain than that of the mu c-Si device. However emitter resistance of the a-SiC device increased, which degraded high frequency performance.Nextly, we attempted to fabricate devices having SiGe base as a narrow bandgap base. SiGe films were formed by sputtering Si and Ge targets using an Ar ion beam. Epitaxial temperature went down by adding Ge. For example, the epitaxial temperature was as low as 400ﾟC for composition of Si_Ge_.Furthermore, we investigated low temperature Si epitaxial growth by ECR (Electron Cycrotron Resonance) plasma CVD method. In the film growth process, not only deposition process but also etching process was found to proceed. The later process was found to be effective for enhancing epitaxial growth. Moreover, selective epitaxial growth was successfully carried out by controlling the deposition conditions.研究課題/領域番号:07650394, 研究期間(年度):1995-1996出典：「炭化シリコン超薄膜を正孔障壁層に用いる新しいエミッタ構造の研究」研究成果報告書　課題番号07650394 (KAKEN：科学研究費助成事業データベース（国立情報学研究所）)　　　本文データは著者版報告書より作

Feasibility of Ultra-Thin Films for Gate Insulator by Limited Reaction Sputtering Process

A new sputtering technique named "limited reaction sputtering" is proposed and the feasibility toward an ultra-thin gate insulator is investigated. 5-10 nm thick ZrO 2 films were prepared on Si(100) substrates and analyzed by XPS, HR-RBS and RHEED. Significant Zr diffusion into the Si substrate and interface oxidation were not observed. An optimum film was obtained at growth temperature of 300°C, oxygen flow rate of 4.2% and 500°C-10 sec RTA. The equivalent oxide thickness of 2 nm was realized with leakage current of 10 -7 A/cm 2 at 1.5 MV/cm

3D neuromelanin-sensitive magnetic resonance imaging with semi-automated volume measurement of the substantia nigra pars compacta for diagnosis of Parkinson's disease

Neuromelanin-sensitive MRI has been reported to be used in the diagnosis of Parkinson's disease (PD), which results from loss of dopamine-producing cells in the substantia nigra pars compacta (SNc). In this study, we aimed to apply a 3D turbo field echo (TFE) sequence for neuromelanin-sensitive MRI and to evaluate the diagnostic performance of semi-automated method for measurement of SNc volume in patients with PD. We examined 18 PD patients and 27 healthy volunteers (control subjects). A 3D TFE technique with off-resonance magnetization transfer pulse was used for neuromelanin-sensitive MRI on a 3T scanner. The SNc volume was semi-automatically measured using a region-growing technique at various thresholds (ranging from 1.66 to 2.48), with the signals measured relative to that for the superior cerebellar peduncle. Receiver operating characteristic (ROC) analysis was performed at all thresholds. Intra-rater reproducibility was evaluated by intraclass correlation coefficient (ICC). The average SNc volume in the PD group was significantly smaller than that in the control group at all the thresholds (P 2.0), the area under the curve of ROC (Az) increased (0.88). In addition, we observed balanced sensitivity and specificity (0.83 and 0.85, respectively). At lower thresholds, sensitivity tended to increase but specificity reduced in comparison with that at higher thresholds. ICC was larger than 0.9 when the threshold was over 1.86. Our method can distinguish the PD group from the control group with high sensitivity and specificity, especially for early stage of PD

超高濃度ホウ素ドープSiGeによる巨大熱超電力の発現とその応用

金沢大学自然科学研究科・結晶性XRD測定によりSiGe膜結晶性を評価した結果、基板温度300-350℃では、結晶成長は起こらず、非晶質状態であった。400℃で非常にブロードな回折ピークが観られ、わずかながら結晶成長が確認された。またRHEED観察により膜成長は、ランダム配向ではなくエピタキシャル成長であることもわかった。500℃以上では鋭い回折ピークが現れ良好な結晶性となっていることがわかった。・抵抗率基板温度の上昇とともに基板温度400℃までは抵抗率が減少するが、400℃を境に再び上昇する結果を得た。これは、低温では非晶質構造であるためキャリアの生成が起こらない、あるいはキャリアが生成しても欠陥準位に束縛され移動できないためである。徐々に結晶化が進むと束縛が解け移動が可能になり抵抗率は減少する。しかし、高温成長では結晶性が良く真性半導体となるためキャリアが生成されにくくなり、抵抗率が再び上昇すると解釈される。結晶成長が開始した400℃では、適度な結晶欠陥が存在しそれがキャリアを生成し、結晶化した領域を伝導するため抵抗率の低下が見られたと考えられる。・ゼーベック係数作製したSiGe膜は、1.5-2mV/KというバルクSiGeの3倍以上の熱起電能を示した。抵抗の低い試料でややゼーベック係数が小さくなったが、作製温度や結晶性との相関は観られなかった。・熱電性能測定された抵抗率とゼーベック係数よりその材料から取り出せる有能電力すなわちパワーファクターを見積もったところ、7.2x10^Wm^K^という非常に大きな値が得られた。また、バルクSiGeの熱伝導率を用いて無次元性能指数を計算するとZT=1.3が求められ、有望な熱電材料であることを示した。Crystallinity :Crystalline growth of SiGe films was slightly observed to take place at 400℃ from XRD measurement. Below that the films were amorphous structure. The films were confirmed epitaxially grown from RHEED observation. Above 500℃, crystallinity was improved.Resistivity :Until 400℃, film resistivity decreased with increasing growth temperature but above that, resistivity was increased again. This phenomena is explained that at low temperature carrier is not generated because of the amorphous structure. While crystalline growth proceeds, carrier comes to be generated. Under almost perfect crystalline structure, however, resistivity increases again because of intrinsic semiconductor resulting in no carrier genneration. The reason of low resistivity at 400℃ is considered that appropriate crystalline defects generated carriers, which could conduct within the crystallized region.Seebeck coefficient :SiGe films prepared showed large Seebeck coefficients of 1.5-2.0mV/K which is more than 3 times larger than that of bulk SiGe. No special coreration was observed on Seebeck coefficient with samples.Thermo-electric performances :Power factor was estimated from the Seebeck coeffcient and resistivity and showed as high as 7.2x10^Wm^K^. Moreover, the non-dimensional figure of merit Z reached ZT=1.3 at room temperature. This value shows useful for practical use.研究課題/領域番号:15360161, 研究期間(年度):2003 – 2005出典：「超高濃度ホウ素ドープSiGeによる巨大熱超電力の発現とその応用」研究成果報告書　課題番号15360161（KAKEN：科学研究費助成事業データベース（国立情報学研究所））（https://kaken.nii.ac.jp/ja/report/KAKENHI-PROJECT-15360161/153601612005kenkyu_seika_hokoku_gaiyo/)を加工して作