水素終端したシリコン面の熱酸化による超平坦シリコン酸化膜/シリコン界面の実現

1995 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 06452123
• 研究機関: 武蔵工業大学
• 研究代表者: 服部 健雄 武蔵工業大学, 工学部, 教授 (10061516)
• 研究分担者: 野平 博司 武蔵工業大学, 工学部, 講師 (30241110) ; 秋谷 昌宏 武蔵工業大学, 工学部, 助教授 (60231833)
• キーワード: 水素終端 / シリコン / 自然酸化膜 / プレオキサイド / 界面構造 / 初期酸化 / 酸化反応 / 原子スケール

研究概要

先ず、熱硝酸、硫酸過水及び塩酸過水中で形成した3種類のケミカルオキサイドが1 Torrの乾燥酸素中600-800℃の高温における界面構造の形成過程に及ぼす影響を調べた。X線光電子分光法(XPS)を用いて界面に存在する中間酸化物いわゆるサブオキサイドの組成の酸化の進行に伴う変化を測定し、1)硫酸過水膜は水素終端したSi(111)-1×1面を1 Torrの乾燥酸素中300℃において形成した低温熱酸化膜と界面構造に及ぼす影響は同程度である。2)熱硝酸膜を介して熱酸化した場合には、膜中にSi-H結合が存在するために、高温で約1分子層の酸化膜が形成されるまでは基板面を反映した界面構造とならない。3)塩酸過水膜を介して高温において膜厚が2nmとなるまで酸化しても、膜の表面が原子スケールで平坦でないために、基板面を反映した界面構造にはならない、などの結果を得た。次に、初期酸化過程における表面のシリコンの酸化状態の時間変化を赤外吸収測定(FT-IR-ATR)により、またそれ以外のシリコンの酸化状態の時間変化をXPSにより詳細に測定し、原子スケールにおける初期酸化過程のシミュレーション結果と対比させた結果、シリコン原子が酸素と結合する確率は当該のシリコン原子の酸化状態や酸素原子との結合形態に依存すること、Si(111)面上に形成される酸化膜の厚みが1分子層に達する前でも局所的に1層1層と界面における酸化反応が起こるために、Si(111)面に比べてSi(100)面の方がより均一に酸化されることを明かにした。さらに、初期酸化過程における酸化に伴う価電子帯の変化の測定より価電子帯の形成過程を、また(111)面から3°、6°、9°offした水素終端したシリコン面の1 Torrの乾燥酸素中300℃における酸化により形成した膜厚約0.5nmの酸化膜を介して行った600-800℃における酸化の進行に伴うサブオキサイドの組成変化の測定よりテラス幅が界面構造に及ぼす効果を明かにした。

研究成果

• [文献書誌] K. Saito, M. Matsuda, M. Yasutake, T. Hattori: "Electron Tunneling through Chemical Oxide of Silicon" Japanese Journal of Applied Physics. 34. L609-L611 (1995)
• [文献書誌] 服部健雄: "SiO2/Si界面形成の原子スケール制御" 応用物理. 64. 1085-1090 (1995)
• [文献書誌] T. Hattori: "Chemical Structures of the SiO2/Si Interface" Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences. 20. 339-382 (1995)
• [文献書誌] T. Hattori, K. Watanabe, M. Ohashi, M. Matsuda, M. Yasutake: "Electron Tunneling through Chemical Oxide of Silicon" to be published in Applied Surface Science. (1996)
• [文献書誌] H. Nohira, H. Sekikawa, T. Hattori: "Effect of Preoxides on Structures of SiO2 and SiO2/Si Interfaces" to be published in Applied Surface Science. (1996)
• [文献書誌] T. Hattori, T. Aiba, E. Iijima, Y. Okube, H. Nohira, N. Tate, M. Katayama: "Initial Stage of Oxidation of Hydrogen Terminted Silicon Surfaces" to be published in Applied Surface Science. (1996)