断面光電子分光法による非晶質シリコン酸化膜の組成および結合状態密度の深さ方向分析

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13025243
• 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, 助教授 (30241110)
• キーワード: シリコン酸窒化膜 / シリコン熱酸化膜 / 希土類酸化膜 / 深さ方向分析 / 最大エントロピー法 / 組成遷移層 / 電子帯構造 / 電子エネルギー損失

研究概要

極薄シリコン酸窒化膜の深さ方向組成分析を、放射光のフォトン・エネルギーを550eVから1465eVまで変化させることにより検出深さを変化させて、Si 2p・N 1s光電子スペクトルを測定し、その結果に最大エントロピー法を適用して界面に窒素原子を約0.4原子層含むシリコン酸窒化膜中の窒素原子の深さ方向分布求めた結果、AlKα線を用いて測定した角度分解Si 2p・N 1s光電子スペクトルに最大エントロピー法を適用して得られる酸窒化膜/Si界面近傍の窒素原子量の深さ方向変化と同様の結果を得た。エピタキシャルSi(100)面上に乾燥酸素中300℃で膜厚約0.3nmのプレオキサイドを形成後、これを介して乾燥酸素中900℃で形成した膜厚1.93nmのシリコン熱酸化膜の1050eVフォトン励起Si 2p光電子スペクトルを分解能100meVで測定し、急峻な組成遷移層が実現されていることを確認した。Siの電子帯構造のΓ点における直接遷移に起因する3.5eVをしきい値とするO 1s光電子のエネルギー損失スペクトルが、Si(100)面上に形成した膜厚0.2nmから1.3nmのシリコン熱酸化膜を介して検出深さ0.41nmにおいて観測された。これがSi基板からシリコン酸化膜中に沁み出した伝導帯と価電子帯の状態密度間で生じたO 1s光電子のエネルギー損失として解析した結果、膜厚0.19nmのサブオキサイド層を介して膜厚0.32nmのSiO_2-分子層が形成されて初めてSi中の価電子に対してバルクSiO_2の場合と同じエネルギー障壁が現れることが明らかになった。換言すれば、1分子層のSiO_2がバルクSiO_2に相当する。希土類酸化物/Si界面遷移層の組成および構造の深さ方向変化を求める新しい方法を提案し、Si(100)面上に形成したGd_2O_3膜およびLu_2O_3膜の角度分解Gd4d・Lu 4d・Si 2p光電子スペクトルの脱出角依存性に適用し、Gd_2O_3/Si(100)やLu_2O_3/Si(100)の界面遷移層を構成するシリケート層の組成変化を明らかにした。さらに、希土類酸化物のO 1s光電子の損失スペクトルと価電子帯スペクトルの測定により界面における伝導帯下端・価電子帯上端における不連続量を決定した。

研究成果

• [文献書誌] 高橋健介, ムスタファ・ビン・セマン, 廣瀬和之, 服部健雄: "SiO_2/Si(111)界面における価電子に対するエネルギー障壁"表面科学. 23・9. 568-572 (2002)
• [文献書誌] H.Kato, K.Nishizaki, K.Takahashi, H.Nohira, N.Tamura, K.Hikazutani, S.Sano, T.Hattori: "Compositional depth profiling of ultrathin oxynitride/Si interface using XPS"Applied Surface Science. 190. 39-42 (2002)
• [文献書誌] K.Takahashi, M.B.Seman, K.Hirose, T.Hattori: "Penetration of electronic states from silicon substrate into silicon oxide"Applied Surface Science. 190. 56-59 (2002)
• [文献書誌] T.Hattori, K.Takahashi, M.B.Seman, H.Nohira, K.Hirose, N.Kamakura, Y.Takata, S.Shin, K.Kobayashi: "Chemical and Electronic Structure of SiO_2/Si Interfacial Transition Layer"publication in Applied Surface Science. (Accepted).
• [文献書誌] H.Nohira, T.Shiraishi, T.Nakamura, K.Takahashi, M.Takeda, S.Ohmi, H.Iwai, T.Hattori: "Chemical and Electronic Structures of Lu_2O_3/Si Interfacial Transition Layer"publication in Applied Surface Science. (Accepted).
• [文献書誌] K.Nishizaki, H.Nohira, K.Takahashi, N.Kamakura, Y.Takata, S.Shin, K.Kobayashi, N.Tamura, K.Hikazutani, T.Hattori: "Depth Profiling of Oxynitride Film Formed on Si(100) by Photon Energy Dependent Photoelectron Spectroscopy"publication in Applied Surface Science. (Accepted).