Si熱酸化過程のRHEED-AES-CL法による「その場」観察

2001 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 12650026
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 高桑 雄二 東北大学, 多元物質科学研究所, 助教授 (20154768)
• Keywords: Si熱酸化 / RHEED / AES / Si原子放出 / 界面歪み / リアルタイムモニタリング / 表面反応モデル / ゲート絶縁膜

Research Abstract

本研究では、Si熱酸化プロセスが関与する多くの諸現象を互いに関連づけて統合的に理解することを目的として、これまで広く用いられているDeal-Groveモデルにおける酸素(水)の酸化腹中での拡散と界面反応のみに基づく考え方に限界があると考え、熱酸化に関与するもう一つの成分であるSi原子の役割・挙動を取り込むことにより極薄Si酸化膜形成の物理的描像を革新し、それに基づいてSi熱酸化プロセスの反応モデルの構築を進めた。熱酸化プロセスにおいて酸素だけでなくSi原子の挙動も一緒に調べるために、本研究では反射高速電子回折法のプローブである斜入射電子で励起したオージエ電子分光法(RHEED-AES)を用いることにより、Si熱酸化の初期過程において酸化膜被覆率と表面形態/構造を同時に「その場」観察可能とRHEED-AES法を用いてSi(001)表面の熱酸化における表面動的過程をリアルタイムモニタリングした。酸化膜被覆率の時間発展からランブミュア型吸着、二次元島成長、エッチングの反応領域(温度、酸素圧力)を明確に決定した。各反応領域において酸化膜被覆率と表面形態/構造との相関をとることにより、ラングミュア型吸着領域では酸化にともなうSi原子放出が示唆され、二次元島成長領域では表面荒れの発達過程が明らかにされた。前者のSi原子放出は酸化による体積膨張の歪み緩和のために生じたものと考えられ、以前に報告された第一原理計算からの予測を支持し、上で述べたSi熱酸化の物理的描像を考えていく上で重要な結果である。さらに、二次元島成長とエッチング領域においてRHEED強度の周期的振動現象を観察し、これは層ごとのSi表面エッチングによるものであり、エッチング速度のリアルタイムモニタリングを可能とする。酸化膜被覆率とエッチング速度の比較から、酸化膜成長とSiO脱離が競合する反応過程を明らかにした。

Research Products

• [Publications] Y.Takakuwa, F.Ishida: "Real-time monitoring of the growth and decomposition of SiO_2 layers on Si(001) by a combined method of RHEED and AES"J.Electron Spectrosc.Relat.Phenom.. 114-116. 401-407 (2001)
• [Publications] 高桑雄二, 石田史顕: "RHEED-AES法によるSi熱酸化のリアルタイムモニタリング"表面科学. 22. 483-491 (2001)
• [Publications] Y.Takakuwa, F.Ishida, T.Kawawa: "Time evolution of interface roughness during thermal oxidation on Si(001)"Appl.Surf.Sci.. (印刷中). (2002)