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

2003 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: 放射光 / 光電子分光法 / 角度分解光電子分光法 / 電子帯構造 / ゲート絶縁膜 / 高誘電率膜 / 希土類金属酸化膜 / 最大エントロピー法

研究概要

前年度は、希土類酸化物/Si界面遷移層の角度分解X線励起Gd4d・Lu 4d・Si 2p光電子スペクトル(ARXPs)の解析に最大エントロピー法を適用することにより、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。今年度は、深さ方向組成変化の決定精度をさらに高めるために、先ず深さ方向元素分布を京都大学木村健二教授の開発された高分解能ラザフォード後方散乱測定(HRBS)により決定し、その元素分布に基づいてGd4d・Si 2P光電子スペクトルを解析する方法を提案し、Si(100)面上に形成した膜厚約4nmのガドリニウム酸化膜の深さ方向組成・化学結合状態分析を原子スケールの深さ方向分解能で決定することに成功した。すなわち、Si 2p、Gd 4d、O 1s角度分解光電子スペクトルの測定結果によれば、ガドリニウム酸化膜の光電子スペクトルの化学シフト量がシリコン酸化膜の場合よりも小さく、Gd_2O_3層とSi基板との間に形成される遷移領域がGdシリケート層により形成されていることを示していると考えられる。Gd_2O_3層とGdシリケート層の境界をGd_2O_367mol%、SiO_233mol%、Gdシリケート層とSiO_2層の境界をGd_2O_333mol%、SiO_267mol%、SiO_2層とSi基板との境界をSiO_250mol%、Si 50mol%と各々定義すると、ガドリニウム酸化膜は膜厚1.65nmのGd_2O_3層と膜厚0.7nmのSiO_2層の間に膜厚0.55nmのGdシリケート層が形成されていることを示している。光電子の脱出角15°以下での実験値の定量的検討から、ガドリニウム酸化膜の表面近傍にGd-Si結合が存在することが推論された。

研究成果

• [文献書誌] K.Takahashi, H.Nohira, K.Hirose, T.Hattori: "Accurate determination of SiO_2 film thickness by x-ray photoelectron spectroscopy"Applied Physics Letters. 83. 3422-3424 (2003)
• [文献書誌] K.Hirose, H.Kitahara, T.Hattori: "Characterization of dielectric properties of ultrathin SiO_2 film formed on Si substrate"Applied Surface Science. 216. 351-355 (2003)
• [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"Applied Surface Science. 216. 287-290 (2003)
• [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"Applied Surface Science. 216. 234-238 (2003)
• [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"Applied Surface Science. 212-213. 547-555 (2003)
• [文献書誌] K.Hirose, H.Kitahara, T.Hattori: "Dielectric constant of ultrathin SiO_2 film estimated from the Auger parameter"Physical Review B. 67. 195313-1-195313-5 (2003)