極薄シリコン酸化膜/シリコン界面のキャリア捕獲準位と微視的構造との関係の解明

本研究により次のような重要な結果を得た。(1)酸化温度が900℃以下の場合、膜厚約1.0nm以上で酸化膜の応力緩和が起こりにくく、表面粗さが増大する。さらに、界面において酸化反応が層状で生じていることを反映して、酸化の進行に伴い表面粗さが膜厚周期0.19nmで増減する。(2)SiO_2/Si(100)界面における表面粗さが、midgap近傍の界面準位をもたらす。また、SiO_2/Si(111)界面構造に関係した界面準位が検出された。(3)SiO_2の価電子バンドと内殻準位のエネルギー差は界面近傍ではバルクより約0.2eV大きい。さらに、極薄SiO_2とSiの価電子バンドオフセットはバルクSiO_2の場合より0.2eV小さい。これらは、第一原理分子軌道計算によれば、Si-O-Si角度が約135-140°と、バルクより小さいことに起因している。また、極薄SiO_2/Si界面の価電子バンドオフセットは、極薄SiO_2/Si界面の原子構造の違いにより最大0.19eV変化する。第一原理分子軌道計算は、界面構造を特徴づけるSiの酸化状態が+3の時は、+1の時と比べて、界面ダイポールが約6%小さいために、価電子バンドオフセットが約0.21eV大きくなるという、実験結果を再現する。この界面ダイポールの違いは、界面結合密度で決定されるダイポール相互作用の違いによる。(4)酸化膜中のSi2p光電子の弾性散乱をWenzelモデルにより記述して、散乱過程のモンテカルロ・シミュレーションを行った結果、弾性散乱・非弾性散乱断面積として1.2×10^m^2の値を得た。(5)酸化膜を活性酸素原子を用いて基板温度400℃でSi(111)面上に形成した場合、Si^量が極大となる界面およびSi^量が極大となる界面で酸化速度が極めて小さくなる。これは、界面における酸化反応が界面構造に影響されることを示唆している。