JP2008111800A - 電圧印加下における電子分光測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】印下電圧を連続的に変化させて各層間に生じるポテンシャル差を調査することができる装置を提供する。
【解決手段】電子分光測定装置は、真空チャンバー内に配置した多層構造を有する試料の上層に電気的に接続する第一端子と、前記試料の下層に電気的に接続する第二端子と、前記チャンバー外に配置した変圧式電圧印下器と、前記両端子と変圧印可器の出力端子とを前記チャンバーの隔壁を貫通して接続する配線とにより構成された電圧印可装置を有することを特徴とする。
【選択図】図１３

Description

本発明は、多層構造を有する電子デバイスの各層中の電子のポテンシャルを調べるために使用する電圧印加下における電子分光測定装置に関する。

多層構造を有する電子デバイスの各層中の電子のポテンシャルを調べるに当たり、従来の装置では、図１の従来例に示すように、試料の下面をアースに接続して測定するようになっていた。
電圧印加下の測定例としては、非特許文献１の２５１ページに「Ｐｔ／ＩｎＰのＰｔ層をグランドに、ＩｎＰが電気的にコンタクトしているサンプルプレートをポテンショスタットに接続してＸＰＳ測定をした」と記述されているが、それを可能にする方法について具体的記述は無い。また、電圧を印加する方法が限られるため、フラットバンド電圧やショットキーバリア高さなど、デバイス動作時の電気特性と関連させる計測法となっていない。
このような従来方法では、印下電圧を連続的に変化させて各層間に生じるポテンシャル差を調査することは困難であった。
Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｋｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ， Ｖｏｌ．９２， Ｎｏ．３， ｐｐ．２４９−２５４， １９９４

本発明はこのような実情に鑑み、印下電圧を連続的に変化させて各層間に生じるポテンシャル差を調査することができる装置を提供することを目的とする。

発明１の電子分光測定装置は、真空チャンバー内に配置した多層構造を有する試料の上層に電気的に接続する第一端子と、前記試料の下層に電気的に接続する第二端子と、前記チャンバー外に配置した変圧式電圧印下器と、前記両端子と変圧印可器の出力端子とを前記チャンバーの隔壁を貫通して接続する配線とにより構成された電圧印可装置を有することを特徴とする。

発明２は、発明１の電子分光測定装置において、その電圧印可装置には、前記配線の途中には、端子との接続をＯＮ−ＯＦＦするスイッチが設けてあることを特徴とする。

発明３は、発明１又は２の電子分光測定装置において、その電圧印可装置には、前記変圧印可器の出力端子の何れか一方をアースに接続する切り替えスイッチが設けてあることを特徴とする。

前記発明１により、多層構造の上下に電圧を印加したことによる各層の電子ポテンシャルへの影響が電圧の関数として計測できるようになった。

前記発明２により、多層構造の上下に流れる漏れ電流の影響や計測上の問題を、電圧印加下の各層中の電子ポテンシャルと分離して計測できるようになった。

前記発明３により、電圧印加下の電子ポテンシャルが、電極を接続しない状態で試料に蓄積されていた電荷によりどのように影響されているかがわかるようになった。

以上のことをまとめると、試料の上下から電気的に接続する端子を設けることで、試料の上下層に連続的に可変な電圧を印加した測定が、試料一般に可能となった。また、接続端子との接続をＯＮ−ＯＦＦするスイッチを設けたことで、電圧印加の方法として４通りの方法が可能になり、試料本来のポテンシャルによる測定結果と電圧印加回路を設けたことに由来する影響を分離することが可能になった。
具体的には、ＭＯＳ構造、ＭＩＭ構造など、非オーミックコンタクトを持つ界面構造を有する試料の上下に、連続的に可変な電圧を印加した状態で、電子スペクトルの取得が可能である。この電子スペクトルから、非オーミックコンタクトの起こっている界面を特定することができる。また、ショットキーバリア高さ、フラットバンド電圧などを電子分光的に求めることができ、直接デバイスの電気特性測定結果と比較することができる。
図２に、ＭＯＳ構造を例に、電極間の電位が異なる２つの状態（Ｖ＝０とＶ＝Ｖ）におけるＭ、Ｏ、Ｓｉそれぞれからの光電子結合エネルギーＥ_Ｍ、Ｅ_Ｏ、Ｅ_Ｓｉの違いからどのようなことが言えるかを示してある。

本発明を実施するための電圧印可装置の詳細を図１３を参照して説明する。
非オーミックコンタクトを持つ界面構造を有する試料（Ｓ）の上部に電極（１）、下部に電極（２）をつけ、電線（Ｌ１）及び（Ｌ２）を通して真空容器外に電極端子を取り出す。それぞれの電線はオンオフスイッチ（３）及び（４）を介して可変式の定電圧発生器（５）に接続し、（３）または（４）のいずれかはスイッチ（６）を介してアースに接続するようになっている。スイッチ（３）、（４）、（６）のオンオフにより、下記の実施例に示すように様々な電圧印加状態を実現する。
前記電線（Ｌ１）（Ｌ２）は真空容器の隔壁（Ｈ）を貫通するものであるから、密封手段を採用してあるのは当然であり、その具体的な内容は公知であるから省略する。

なお、オンオフスイッチ３及び４にかわり、図１４のようにロータリースイッチ（８）を設け、真反対の２面と一面の３面に通電部（Ａ）（Ａ‘）（Ｂ）を設け、電線（Ｌ１）（Ｌ２）には、それぞれ前記通電部（Ａ）（Ａ‘）（Ｂ）に接触できる端子（３ａ）（３ｂ）（４ａ）（４ｂ）を設けて、ロータリースイッチ（８）の回転により、電線（Ｌ１）（Ｌ２）の通電状態を４通りに変更できるようにするのも可能である。
また、下部電極は、試料に直接取り付けるのではなく、試料ステージに取り付け、試料下面と試料ステージとが通電状態になるように設置することも同様な効果を発揮させることが出来る。

前記電圧可変式の定電圧発生器（５）は、電源と電圧調整構造が一体化されたものを例示したが、これがそれぞれ別体化され直列配置することも何ら問題なく採用可能である。

上記構成以外の電子分光測定装置の構成は従来と同様なので詳しい説明は省略する。
また、上記構成は従来周知の何れの電子分光測定装置に対しても問題なく適用できるものである。

本実施例は、前記実施例１で示した装置を用いて行った測定例を示す。
図２は、ｐ型ＳｉをＳとする理想ＭＯＳ構造に電圧を印加したとき（Ｖ＝Ｖ）と印加しないとき（Ｖ＝０）のＭ、Ｓのバンドエネルギー図である。
Ｖ＝０（ＭとＳの双方がアースポテンシャルになっている）では、Ｍの仕事関数φｍ（ＭのフェルミレベルＥ_Ｆと真空レベルＥ_ＶＡＣとの差）とＳの電子親和力ＥＡの大きさが異なるのでＳの伝導帯Ｅｃと価電子帯Ｅｖが界面でバンドベンディングする。このときのＭ、Ｏ、Ｓ各層の内殻電子の結合エネルギーをＥ_Ｍ（０）、Ｅ_Ｏ（０）、Ｅｓｉ（０）とする。次に、Ｖ＝Ｖで内殻電子の結合エネルギーを測定したところ、それぞれ、Ｅ_Ｍ（Ｖ）、Ｅ_Ｏ（Ｖ）、Ｅｓｉ（Ｖ）とする。このとき、Ｅ_Ｍ（Ｖ）＝Ｅ_Ｍ（０）＋Ｖとなっている。すべての界面がオーミックコンタクトなら、Ｅ_Ｏ（Ｖ）＝Ｅ_Ｏ（０）＋Ｖ、Ｅｓｉ（Ｖ）＝Ｅｓｉ（０）＋Ｖとなるはずだが、実際にはそうならない。Ｅ_Ｏ（Ｖ）−Ｅ_Ｏ（０）−Ｖの値から、Ｍ−Ｏ界面（界面１）に蓄積された電荷によるポテンシャル変化の量、Ｅｓｉ（Ｖ）−Ｅｓｉ（０）−（Ｅ_Ｏ（Ｖ）−Ｅ_Ｏ（０））の値からＯ−Ｓ界面（界面２）に蓄積された電荷によるポテンシャル変化の量を求めることができる。また、バンドベンディングがゼロになる印加電圧（フラットバンド電圧）の時に、上記の関係式により界面１および界面２に蓄積された電荷を求めることにより、フラットバンド電圧が決まるメカニズムがわかる。

図３のような構造を持つ試料に、図に示したように上下に電極を接続し、上下電極に図４に示すような電気的状況下でＸ線光電子分光（ＸＰＳ）測定を行った。その結果、印加した電圧に応じてＸＰＳスペクトルがシフトした。図５に示したのは、Ｐｔ４ｆ７／２のピークのシフトする様子である。
図５より、Ｓｉに印加した電圧によってＰｔのピークがシフトしていることから、回路全体に漏れ電流が発生していて、漏れ電流による電圧降下があることがわかる。また、印加した電圧よりもシフト量が少ないことから、Ｓｉ−ＨｆＯｘを経てＰｔに至るまでの間に電圧降下の要因があることがわかる。

本実施例は、前記実施例１で示した装置を用いて行った測定例を示す。
図３のような構造を持つ試料に、図に示したように上下に電極を接続し、上下電極に図６に示すような電気的状況下でＸ線光電子分光（ＸＰＳ）測定を行った。その結果、印加した電圧に応じてＸＰＳスペクトルがシフトした。図７に示したのは、Ｐｔ４ｆ７／２のピークのシフトする様子である。
図７より、Ｓｉに印加した電圧によってＰｔのピークがシフトしており、そのシフト量が印加した電圧と同じであることから、漏れ電流がなければ（回路として上部を開いているので、電流が流れない）、Ｓｉ−ＨｆＯｘを経てＰｔに至るまでの間に電圧降下は起こっていないことがわかる。

本実施例は、前記実施例１で示した装置を用いて行った測定例を示す。
図３のような構造を持つ試料に、図に示したように上下に電極を接続し、上下電極に図８に示すような電気的状況下でＸ線光電子分光（ＸＰＳ）測定を行った。その結果、印加した電圧に応じてＸＰＳスペクトルがシフトした。図９に示したのは、Ｐｔ４ｆ７／２のピークのシフトする様子である。
図９より、上部金属に印加した電圧よりもＰｔのピークのシフト量が少ないことから、回路全体に漏れ電流が発生していて、漏れ電流による電圧降下があることがわかる。

本実施例は、前記実施例１で示した装置を用いて行った測定例を示す。
図３のような構造を持つ試料に、図に示したように上下に電極を接続し、上下電極に図１０に示すような電気的状況下でＸ線光電子分光（ＸＰＳ）測定を行った。その結果、印加した電圧に応じてＸＰＳスペクトルがシフトした。図１１に示したのは、Ｐｔ４ｆ７／２のピークのシフトする様子である。
図１１より、上部金属に印加した電圧によってＰｔのピークがシフトしており、そのシフト量が印加した電圧と同じであることから、漏れ電流がなければ（回路として下部を開いているので、電流が流れない）、電圧降下は起こっていないことがわかる。

本実施例は、前記実施例１で示した装置を用いて行った測定例を示す。
図３のような構造を持ち、上部の金属層が前期の例よりも薄い試料に、図に示したように上下に電極を接続し、上下電極に図８に示すような電気的状況下でＸ線光電子分光（ＸＰＳ）測定を行った。その結果、印加した電圧に応じてＸＰＳスペクトルがシフトした。図１２に示したのは、Ｐｔ４ｆ７／２とＨｆ４ｆ７／２のピークのシフトする様子である。
図１２より、上部金属に印加した電圧が同じ時に、ＰｔとＨｆのピークのシフト量を比較することで、電圧降下の起こっている場所を特定することができる。ピークのシフト量の違いは、ＰｔとＨｆＯ_２との間に形成されている電気二重層による電位に相当する（図２を参照）。

前記以外の適用例を説明する。
実施例ではＡｌＫαＸ線による光電子スペクトルを測定しているが、電子の相対的電位が反映される手法であることが、本技術の要件なので、オージェ電子スペクトル、紫外線励起や他の特性Ｘ線、放射光など様々なエネルギーの光源による光電子スペクトル測定など、電子分光スペクトルの種類を問わずに適用できる。

前記以外の適用例を説明する。
実施例では図１３に示した配線を用いているが、スイッチ３、４の機能を一体化した図１４に示すロータリースイッチを用いた配線も可能である。

ＭＯＳ構造において、フラットバンド電圧を調整するために改善すべき箇所がわかる（Ｍ−Ｏ界面か、Ｏ−Ｓ界面かなど）。
ＭＯＳデバイスで問題が生じている場合に、その原因を特定するに役立つ（それが電圧印加により誘起される問題かどうか、電圧印加に対して可逆的現象なのかなど）。
ＭＩＭ構造において、トンネル電子を引き出すために必要な電圧や、トンネル電子のエネルギー分布が予測できる。
ＭＯＳ、ＭＩＭ構造のブレークダウン電圧が予測できる。

従来と本発明の配線を比較して示した模式図 ｐ型ＳｉをＳとする理想ＭＯＳ構造に電圧を印加したとき（Ｖ＝Ｖ）と印加しないとき（Ｖ＝０）のＭ、Ｓのバンドエネルギー図。 各実施例で使用した試料の層構造を示す模式図 実施例２の電圧印加の配線図 実施例２の電圧印加下のＸＰＳスペクトル（Ｐｔ４ｆ７／２）グラフ 実施例３の電圧印加の配線図 実施例３の電圧印加下のＸＰＳスペクトル（Ｐｔ４ｆ７／２）グラフ 実施例４の電圧印加の配線図 実施例４の電圧印加下のＸＰＳスペクトル（Ｐｔ４ｆ７／２）グラフ 実施例５の電圧印加の配線図 実施例５の電圧印加下のＸＰＳスペクトル（Ｐｔ４ｆ７／２）グラフ 実施例６の電圧印加下のＸＰＳスペクトル（Ｐｔ４ｆ７／２、およびＨｆ４ｆ７／２）グラフ 実施例１の可変電圧印下装置の構造を示す配線図 実施例１の可変電圧印下装置の構造の変更例を示す配線図

符号の説明

（１）上部電極
（２）下部電極
（３）（４）（６）オンオフスイッチ
（Ｌ１）（Ｌ２）電線
（Ｈ）真空容器の隔壁
（８）ロータリースイッチ
（Ａ）（Ａ‘）（Ｂ）通電部
（３ａ）（３ｂ）電線（Ｌ１）の端子
（４ａ）（４ｂ））電線（Ｌ２）の端子

Claims (3)

1. 電圧印加下における電子分光測定装置であって、真空チャンバー内に配置した多層構造を有する試料の上層に電気的に接続する第一端子と、前記試料の下層に電気的に接続する第二端子と、前記チャンバー外に配置した可変式定電圧発生器と、前記両端子と可変式定電圧発生器の出力端子とを前記チャンバーの隔壁を貫通して接続する配線とにより構成された電圧印可装置を有することを特徴とする電子分光測定装置
2. 請求項１に記載の電子分光測定装置において、その電圧印可装置には、前記配線の途中には、端子との接続をＯＮ−ＯＦＦするスイッチが設けてあることを特徴とする電子分光測定装置
3. 請求項１又は２に記載の電子分光測定装置において、その電圧印可装置には、前記変圧印可器の出力端子の何れか一方をアースに接続する切り替えスイッチが設けてあることを特徴とする電子分光測定装置