2000 Fiscal Year Annual Research Report
極薄シリコン酸化膜/シリコン界面のキャリア捕獲準位と微視的構造との関係の解明
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10450020
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| Research Institution | Musashi Institute of Technology |
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Principal Investigator |
服部 健雄 武蔵工業大学, 工学部, 教授 (10061516)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
廣瀬 和之 宇宙化学研究室, 衛星応用工学研究系, 助教授 (00280553)
野平 博司 武蔵工業大学, 工学部, 助教授 (30241110)
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| Keywords | シリコン酸化膜 / 表面粗さ / 酸化機構 / 活性酸素原子 / 酸化速度 / 価電子帯オフセット / 界面ダイポール / ダイポール相互作用 |
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| Research Abstract |
本年度は、三つの重要な成果が得られた。第一は、表面粗さに関することである。すなわち、酸化膜を800℃以下の低温でSi(100)面上に形成した場合、酸化膜厚が1nm以下では表面の凹凸は1原子ステップ以内であるが、膜厚が1nmを越えると表面粗さが増大する。しかし、酸化温度を900℃に上げると膜厚を約3nmまで増しても表面粗さは増大しない、酸化膜の凹凸分布についても同様のことが言える。したがって、酸化温度800℃以下で観測される膜厚1nm以上での表面粗さの増大は、酸化により界面に生じる応力に起因していると推察される。
第二は、酸化機構に関することである。すなわち、酸化膜をクリプトン酸素の混合ガスのマイクロ波励起で生成した活性酸素原子を用いて基板温度400℃でSi(111)面上に形成した場合、Si^<3+>量が極大となる界面およびSi^<2+>量が極大となる界面で酸化速度が極めて小さくなることを見出した。これは、界面における酸化反応が界面構造に影響されることを示唆している。
第三は、界面構造の変化が、SiO_2/Si界面における価電子バンドオフセットに影響を及ぼすことである。水素終端したSi(111)基板上に1-2nm厚の極薄SiO_2を熱酸化により形成して、この界面を高分解能光電子分光法で測定したところ、極薄SiO_2/Si界面の価電子バンドオフセットは、極薄SiO_2/Si界面の原子構造の違いにより最大0.19eV変化することが分かった。その原因を考察するために第一原理分子軌道計算を行った結果、界面構造を特徴づけるSiの酸化状態が+3の時は、+1の時と比べて、界面ダイポールが約6%小さいために、価電子バンドオフセットが約0.21eV大きくなるという、実験結果を再現する結果が得られた。この界面ダイポールの違いは、界面結合密度で決定されるダイポール相互作用の違いによると説明できた。
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[Publications] T.Teramoto,N.Watanabe,M.Fujimura,H.Nohira,T.Hattori: "Periodic changes in interface state distribution in accordance with layer-by-layer oxidation on Si (100)"Applied Surface Science. 159/160. 67-71 (2000)
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[Publications] M.Fujimura,K.Inoue,N.Nohira,T.Hattori: "Atomic-scale surface morphology of ultrathin thermal oxide formed on Si (100) surface"Applied Surface Science. 162/163. 62-68 (2000)
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[Publications] H.Nohira,K.Hirose,K.Takahashi,T.Hattori: "Elastic scattering of Si 2p photoelectorons in ultrathin silicon oxides"Applied Surface Science. 162/163. 304-308 (2000)
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[Publications] K.Hirose,H.Nohira,K.Sakano,T.Hattori: "Atomic structure of SiO_2 at SiO_2/Si interfaces"Applied Surface Science. 166. 455-459 (2000)
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[Publications] N.Watanabe,Y.Teramoto,A.Omura,H.Nohira,T.Hattori: "Detection of interface states correlated with SiO_2/Si (111) interfaces structures"Applied Surface Science. 166. 460-464 (2000)
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[Publications] K.Takahashi,H.Nohira,T.Nakamura,T.Ohmi,T.Hattori: "Influence of Interface Structure on Oxidation Rate of Silicon"Japanese Journal of Applied physics. 40. L68-L70 (2001)
