高エネルギー光電子分光法開発と高誘電率膜/シリコン界面の化学結合状態分析への応用

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15206006
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 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: 小林 啓介 高輝度光科学研究センター, 主席研究員 ; 大見 俊一郎 東京工業大学, 大学院・総合理工学研究科, 助教授 (30282859) ; 岩井 洋 東京工業大学, フロンティア創造共同研究センター, 教授 (40313358) ; 野平 博司 武蔵工業大学, 工学部, 助教授 (30241110) ; 高田 恭孝 理化学研究所, 先任研究員 (90261122)
• キーワード: 高エネルギー光電子分光法 / 高誘電率膜 / シリコン界面 / 硬X線

研究概要

小林と高田は、硬X線領域で高エネルギー分解能・高検出効率を実現可能なアナライザーを、スェーデンのガンマデータシエンタ社と共同開発した。励起X線源の強度・エネルギー幅・スポットサイズに要求される世界最高性能は、理研のX線干渉光学研究室の協力を得て実現した。また、装置設計に際しては、励起X線の偏光方向にアナライザーを配置する、試料上でのスポットサイズと電子エネルギーアナライザーのスリット開口とのマッチングを取る、さらに試料表面すれすれにX線を入射することでX線の浸入深さと光電子の脱出深さのマッチングを取るなどの工夫をした。平成16年3月にSPring-8のアンジュレータビームラインBL47XUに立ち上げた装置を持ち込んで性能試験を行った。標準試料として金板の光電子スペクトルの測定を6keVのX線励起で行い、励起X線のエネルギー幅70meV、アナライザーの分解能55meV,全装置分解能90meVを達成した。またスループット(検出効率)に関しては、Au4f内殻のスペクトルについて約1分、価電子帯スペクトルについて約5分という非常に短時間での測定に成功した。現在、ヨーロッパにおいても高エネルギー光電子分光の開発が行われているが、本年度我々が達成した性能は他の追従を許さない世界最高レベルのものである。そこで、服部と野平は、岩井、大見とともに本装置の高エネルギー光電子分光の特徴を生かした角度分解光電子スペクトルの測定を行った。測定対象は、いずれも膜厚4〜6nmの検出深さの大きい必要のあるもので、膜厚1.2nmの低温酸化膜を介してTEOS膜をプラズマCVD法により堆積したときのSiO_2/Si(100)界面構造に及ぼす酸素プラズマ照射の効果、水素終端したSi(100)面上に電子ビーム蒸着法により堆積したランタンの酸化膜の熱処理温度依存性を非破壊で明らかにすることに成功した。

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.Kobayashi, M.Yabashi, Y.Takata, T.Tokushima, S.Shin, K.Tamasaku, D.Miwa, T.Ishikawa, H.Nohira, T.Hattori, Y.Sugita, O.Nakatsuka, A.Sakai, S.Zaima: "High resolution-high energy x-ray photoelectron spectroscopy using third-generation synchrotron radiation source, and its application to Si-high k insulator systems"Applied Physics Letters. 83. 1005-1007 (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 Scienece. 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)
• [文献書誌] M.Shioji, T.Shiraishi, K.Takahashi, H.Nohira, K.Azuma, Y.Nakata, Y.Takata, S.Shin, K.Kobayashi, T.Hattori: "X-ray photoelectron spectroscopy study on SiO_2/Si interface structures formed by three kinds of atomic oxygen at 300℃"Applied Physics Letters. (to be published). (2004)
• [文献書誌] Y.Takata, K.Tamasaku, T.Tokushima, D.Miwa, S.Shin, T.Ishikawa, M.Yabashi, K.Kobayashi, J.J.Kim, T.Yao, T.Yamamoto, M.Arita, H.Namatame, M.Taniguchi: "A probe of intrinsic valence band electronic structure : Hard x-ray photoemission"Applied Physics Letters. (to be published). (2004)