無球面収差結像TEMによるSiO_2/Si界面の酸化状態の原子直視研究

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15656010
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 田中 信夫 名古屋大学, 理工科学総合研究センター, 教授 (40126876)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): HAIDER M. CEOS社, 代表 ; 室岡 義栄 名古屋大学, 大学院・工学研究科, 助手 (40273263) ; 山崎 順 名古屋大学, 理工科学総合研究センター, 助手 (40335071) ; 五十嵐 信行 日本電気(株), シリコンシステム研究所, 研究員 ; 成瀬 幹夫 日本電子(株), 技術部課長
• Keywords: 収差補正 / TEM / SiO_2 / Si界面 / 原子直視観察 / 酸化状態

Research Abstract

SiO_2/Si界面は1970年代より半導体デバイスの最も重要な界面として研究されてきたがULSI時代を迎え1nmの巾のゲート膜が実現している昨今でさえ依然として極めて重要な研究対象である。当然plan-viewおよびcross-sectionの試料の高分解能TEM観察もこれまで多数の研究者によって行われ、界面第1-2層にクリストバライト結晶相があることが提案されている。
しかしながら、通常の200kVのHRTEMを用いてこの界面を観察する場合、0.5-1.0mmの球面収差が対物レンズに存在するため、原子構造を見るためのシリコンの111格子像が高いコントラストで結像される条件は50-100nm程度アンダーフォーカス側である。この時界面にはディフォーカスに伴うフレネルフリンジが出現し、上記の格子像と干渉して複雑な像コントラストを生じさせていた。この複雑なコントラストは、ある場合は「界面特殊構造」と解釈されたり、ある場合は「界面最上層原子間隔の伸び」として解釈されていた。今回200kV球面収差補正HRTEMでこの界面を観察した。その結果、従来のものより格段に分解能のよい界面の像がすでに観察できている。
現時点では、装置の機械的振動の除去が十分でないため点分解能は0.13nmに止まっているが、さらに0.11nm程度に向上させる努力を続けている。分解能がこのレベルになると、SiO_2/Si界面での酸化の現象を一原子層レベルで研究することが可能になる。この目標分解能の条件でのシミュレーション像からは、シェルツァーフォーカス近傍(Δf=7nm)で最上層のダンベル原子列の中に酸素原子列が分け入った状態が完全に直視化できることが確認されている。このようにシリコンのダンベルの完全分離像を容易に得られる装置が出現することは、半導体デバイスの基礎研究に極めて大きなインパクトを与えるものと期待され、最終年のその性能向上に一層努力する予定である。

Research Products

• [Publications] N.Tanaka, J.Yamasaki, K.Usuda, N.Ikarashi: "First observation of SiO_2/Si(100) by spherical aberration corrected HRTEM"J.Electron Microscopy. 52・1. 69 (2003)
• [Publications] N.Tanaka, J.Yamasaki, S.Fuchi, Y.Takeda: "First observation of In_xGa_<1-x> As quantum dots in GaP by spherical aberration corrected HRTEM"Microscopy and Microanal.. 10. 139 (2004)