その場観察用X線光電子分光分析器の開発とシリコン酸化・窒化極薄膜の形成機構の解明

开发用于原位观察和阐明超薄氧化硅和氮化硅薄膜形成机制的X射线光电子能谱仪

基本信息

批准号：
01065003
负责人：
服部健雄
金额：
$ 153.6万
依托单位：
Musashi Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Specially Promoted Research
财政年份：
1989
资助国家：
日本
起止时间：
1989 至 1991
项目状态：
已结题

项目摘要

本年度は、シリコン表面の清浄化、SiO_2/Si界面および界面近傍の不完全構造に関して詳細な検討を行った後に、その結果に基づいてシリコンの初期酸化過程を詳細に調べた。先ず、清浄なシリコン表面の初期酸化過程を調べるために、シリコン表面を清浄化する方法の中で最もよく使用されている白木法について検討した。すなわち、白木法で清浄化したシリコン表面上に800℃において形成した膜厚1.5nmの熱酸化膜の不完全構造が最も少なくなる自然酸化膜の熱分解温度、自然酸化膜の形成条件を、角度分解X線光電子分光法および走査トンネル顕微鏡により調べた。その結果、白木法で清浄化したシリコン表面上に形成した熱酸化膜の膜質は、自然酸化膜を弗酸で除去後に形成した熱酸化膜の膜質に劣ることが明らかになった。次に、溶液中で形成される自然酸化膜の中のSiーH結合量を種々の溶液について調べた結果、硫酸過水中で形成した自然酸化膜中および界面のSiーH結合量が極めて少ないことをX線光電子分光法および赤外全反射吸収測定法により見出した。この自然酸化膜を基準試料として用いることにより、極薄酸化膜中および界面におけるSiーH結合量の定量的な検討が可能となった。さらに、白木法では原子レベルで平坦で清浄なシリコン表面を得にくいことから、弗化アンモニウム処理により得られる原子レベルで平坦な水素終端したシリコン(111)表面の初期酸化過程を調べた。高品質の極薄熱酸化膜を形成することを最終目標としているので、熱分解反応の起こりにくい133Paの酸素ガス中において光による局所加熱により300℃において初期酸化過程を調べた。その結果、酸化速度、シリコン原子と酸素原子からの光電子スペクトルの強度比から、1層のSiO_2膜の形成過程が4段階に分れることを発見した。水素終端した原子レベルで平坦なSi(111)面の初期窒化過程についても検討を行った。

今年，我们对硅表面清洁和SiO_2/Si界面及界面附近的不完整结构进行了详细研究，并根据结果详细研究了硅的初始氧化过程。首先，为了研究清洁硅表面的初始氧化过程，我们研究了白木方法，这是清洁硅表面最常用的方法。换句话说，自然氧化膜的热分解温度和自然氧化膜的形成条件，使得在800℃下在经清洁的硅表面上形成的厚度为1.5nm的热氧化膜的不完整结构最小化。白木法，并通过分辨X射线光电子能谱和扫描隧道显微镜研究了自然氧化膜的形成条件。结果表明，采用白木法清洗的硅表面形成的热氧化膜的质量低于用氢氟酸去除自然氧化膜后形成的热氧化膜的质量。接下来，我们对各种溶液中形成的自然氧化膜中的Si-H键的量进行了研究，发现在硫酸/氢气中以及界面处形成的自然氧化膜中的Si-H键的量极其多。这是通过X射线光电子能谱和红外全内反射吸收测定发现的。通过使用该自然氧化膜作为参考样品，可以定量检查超薄氧化膜和界面处的Si-H键的量。此外，由于使用白木方法很难获得原子级平坦且清洁的硅表面，因此我们研究了通过氟化铵处理获得的原子级平坦的氢封端硅（111）表面的初始氧化过程。由于最终目标是形成高质量的超薄热氧化膜，因此在133 Pa的氧气中通过光局部加热在300°C下研究了初始氧化过程，在该条件下很难发生热分解反应。结果发现，根据氧化速率和硅原子与氧原子光电子能谱的强度比，单层SiO_2薄膜的形成过程可分为四个阶段。我们还研究了氢封端、原子级平坦的 Si(111) 表面的初始氮化过程。