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

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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。