金属（Hf・Zr）／Si半導体表面界面局所構造中シリサイドの酸化反応理解と制御

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本課題では、シリコン（Si）単結晶基板上に異なる厚さのハフニウム（Hf）堆積膜(Hf-Si)を作製することで、表面界面に数種の異なるHfシリサイド化合物を形成することが分かってきた。これに酸素分子（O2）を曝露・照射しながら表面界面にある全ての原子の放射光光電子スペクトル（SR-XPS）を系統的に測定し、解析することで、同じHfシリサイド化学状態であってもそれが表面もしくは界面に位置するかによってO2との反応性に大きな違いがあることが明らかとなった。特にHfの堆積膜厚がSi(111)-7×7基板上に0.5原子層（ML）相当の場合、表面にHfモノシリサイド（HfSi）の準安定構造を形成し、僅かな量のO2を曝露するだけですぐさま酸化し、飽和した。我々は、準安定構造としてHfが7×7表面のSi rest-atomおよびSi adatom直上に吸着し、6員環構造を形成したと推測した。酸化反応は、この準安定局所構造周辺で局所的に進行するため、Hfの酸化状態はシリケートの3価まで進行し、不動化した。一方、Hf堆積膜を2 ML相当で作製した試料では、O2に対して表面にある金属Hf層が高い反応性を示すが、HfSiは界面領域に存在するため、並進運動エネルギー（E = 2.2 eV）を持った酸素分子ビームを照射することで一部酸化させることができた。また、Hf堆積膜を6 ML相当堆積させた試料では、酸素分子が界面領域まで到達しないのでHfSiは未反応だった。一方で、基板からSi原子が表面まで拡散し、これがO2と反応して最表面にSiO2層を形成することも分かった。このようにHf-Siの表面界面は膜厚に依らずO2と高い反応性を示すが、反応物や生成物は異なる。表面界面反応素過程を理解し、利用できればSi基板上に原子スケールで化学状態や構造を制御したHfO2堆積膜を形成できる可能性がある。