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的研究

非球面像差成像TEM直接原子研究SiO_2/Si界面的氧化态

基本信息

批准号：
15656010
负责人：
田中信夫
金额：
$ 2.24万
依托单位：
Nagoya University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Exploratory Research
财政年份：
2003
资助国家：
日本
起止时间：
2003 至 2004
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-15656010/
关键词：
収差補正 TEM SiO_2 Si界面原子直視観察酸化状態

项目摘要

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れ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なわれ、界面第1-2層にクリストバライト結晶層がある研究も一部報告されている。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の存在するため、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、界面にはデイフォーカスに伴な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。本研究では2年間にわたり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を得ることに成功し、論文発表と新聞発表を行なった。今後、装置の機械的振動の除去の努力をさらに継続し、0.11nm程度に分解能を向上させる。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ュミ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、本研究には産業界からも大きな期待が寄せられている。

自1970年代以来，SIO_2/SI界面已被研究为半导体设备的最重要界面，但是在ULSI时代，已经实现了宽度为1 nm的Gate Films，并且仍然是非常重要的研究主题。自然，许多研究人员已经对计划视图和横截面样品进行了高分辨率TEM观察，并且还报道了一些研究，其中在界面的1-2层上发现了Cristobalite晶体层。但是，当使用正常的200 kV HRTEM观察该界面时，物镜镜片中存在0.5-1.0 mm的球形像差，因此，硅的111晶格图像以高对比度成像的状态在焦点侧面的侧面侧面，约50-100 nm。此时，伴随着白天的菲涅耳条纹出现在界面上，干扰了上面的晶格图像，从而导致复杂的图像对比度。在某些情况下，这种复杂的对比被解释为“界面特殊结构”，在某些情况下为“界面顶层原子间距的扩展”。这项研究观察到与200kV球形像差校正HRTEM的界面两年。结果，我们能够获得比以前的模型更好的分辨率界面，并发表了论文和报纸。将来，将采取进一步的努力去除设备中的机械振动，将分辨率提高到0.11 nm左右。在这种分辨率的水平上，可以在单原子层水平上研究在SIO_2/SI界面处的氧化现象。目标分辨率条件下的仿真图像证实，将氧原子分为Shelzer Focus（ΔF= 7 nm）附近的最上层哑铃原子序列，并且可以完全可视化。预计可以轻松获得硅哑铃图像的设备的出现将对对半导体设备的基础研究产生巨大影响，并且行业也高度期待目前的研究。