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原子ステップ配列制御による原子レベルで平坦なステップフリーのSi/SiO_2界面の形成及び界面ラフネスのサブナノメートルスケールでの評価方法の確立を目的として、1)Si清浄表面におけるステップの動力学的性質、2)超高真空走査トンネル顕微鏡(STM)による界面ラフネス評価法、3)Si/SiO_2界面における界面ラフネスの発生機構について研究を行った。
まず、Si表面のステップダイナミクスを解明するため、特にSi(113)表面のファセッティング過程でのステップの運動に着目して、加熱時のステップの運動をSTMで観察し、ステップ形態の変化の駆動力を明らかにした。また、ステップ形態の時間変化のシミュレーション手法を確立した。
次に、超高真空STMの探針を用いて加熱したSiO_2表面に低速電子線を照射することによりSiO_2膜を剥離し、界面構造をSTMで直接観察する手法を確立した。超高真空下で観察を行うため表面汚染の問題がなく、1nm以下の高解像度でSi/SiO_2界面が観察できるため、従来法と比較して本手法がSiO_2/Si界面のラフネス評価法として有効であることを実証した。さらに、本手法を用いて、ゲート酸化膜形成プロセスの各工程でのSi/SiO_2界面ラフネスを評価し、ラフネス発生の機構について調べた。その結果、ゲート酸化膜の界面ラフネスは、熱酸化前の工程で生じたものであり、熱酸化膜形成時には酸化膜厚に依存せず界面ラフネスは変化しないことが分かった。この結果は、原子レベルで平坦なSi/SiO_2界面を得るためには熱酸化工程前のSi基板表面のラフネスの抑制が重要であり、Si清浄表面におけるステップの揺らぎや配列制御の重要性を強く示唆している。本研究を通して得られた知見は、次世代半導体デバイスに用いる原子レベルで平坦なSiO_2膜を実現するうえで大きな意義を持つと考えられる。
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