角度分解X線光電子分光法による高誘電体薄膜/シリコン界面構造の深さ方向分析

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14550029
• 研究機関: 武蔵工業大学
• 研究代表者: 野平 博司 武蔵工業大学, 工学部, 助教授 (30241110)
• キーワード: 高誘電率材料 / 角度分解X線光電子分光法 / 絶縁膜 / Si界面 / 希土類酸化膜 / 深さ方向元素分布

研究概要

本研究では、次世代半導体集積回路に用いられるゲート長0.1ミクロン以下のMISFETの実現に必要不可欠な高誘電体薄膜の持つ問題点、すなわち界面準位や固定電荷の物理的な起源を実験結果から解明するために、透過電子顕微鏡による断面観察とは異なり、非破壊で界面及び界面近傍の組成や化学結合状態の深さ方向分布を明らかにできる"角度分解X線光電子分光法"を用いて高誘電体薄膜/シリコン界面構造の深さ方向分析を試みた。
X線光電子分光法による高誘電率膜の予備的検討から、次世代高誘電率薄膜材料として有望なものの一つである希土類酸化膜は、吸湿性があるため大気に晒すことで酸化膜質や界面構造が変化してしまう可能性のあることを見いだした。そこで、まず高品質の高誘電体薄膜を再現性良く作製するために、温度の制御性が良く、かつ酸素雰囲気中でも劣化せずヒーターからの不純物の放出の極めて少ないSiCヒーターユニットを用いて、高誘電体薄膜作製用基板加熱機構を設計・作製し、シリコン基板を800℃まで昇温できることを確認した。次に、本年度購入した真空計を用いて、試料を大気に晒さず繰り返し熱処理と角度分解X線光電子分光測定が行えるシステムに改良した。このシステムに、別チャンバーでSi基板上に室温で形成した高誘電率薄膜を搬入し、熱処理による界面構造の変化を角度分解X線光電子分光法により調べた。その結果、Lu_2O_3/Si(100)においては、酸素中400℃の熱処理により、Lu_2O_3層とSiO_2層との間にLuシリケートが形成されることを見いだした。

研究成果

• [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] H.Nohira, T.Kuroiwa, M.Nakamura, Y.Hirose, J.Mitsui, W.Sakai, K.Nakajima, M.Suzuki, K.Kimura, K.Sawano, K.Nakagawa, Y.Shiraki, T.Hattori: "Quality of SiO_2 and of SiGe Formed by Oxidation of Si/Si_<0.7>Ge_<0.3> Heterostructure Using Atomic Oxygen at 400℃"Applied Surface Science. (to be published).