リアルタイム光電子分光による半導体表面準位の新解析法

表面準位同定の問題点

半導体デバイスの高品質化・高安定化の基礎的要因として基板の清浄化・表面平坦化・結晶構造の完全化等が挙げられる。いずれもその根本は表面・界面準位に影響を与えるものである。したがって表面界面準位を如何に制御・抑制するかがデバイスの品質向上、ひいてはさらなる微細化につながると考えられる。光電子分光法、特に励起源として紫外光を用いた紫外光電子分光法（ＵＰＳ）は高い表面感度で表面準位を直接的に観測でき、表面準位評価の極めて有効な手段として広く用いられている。しかし考慮すべき点は得られたＵＰＳスペクトルからの表面準位の同定法についてである。ＵＰＳスペクトルには当然バルクからの成分も含まれるので表面準位成分を分離・同定する必要がある。これまで一般に行われていた同定法は次のように挙げられるが、いずれの場合もそれぞれ問題がある。

表面準位同定法問題点

バルクのバンドギャップ中に存在する。バルク価電子帯中に存在する表面準位は同定できない。

水素等の表面終端化により消失する。新たな表面準位の発生やサブサーフェスの変化が懸念される。

角度分解型のＵＰＳ測定によりバンド分散を測定したとき得られた分散の周期性が表面ブリルアンゾーンのそれを反映する。角度分解型の測定は多大な時間を必要とし、また装置や測定が煩雑である。さらに分散があまりないまたはあいまいな表面準位の場合、その同定が難しい。

以上のように表面準位の同定は一般にフェルミ準位に近い準位に限られ深い準位は困難であった。表面準位の新たな同定法の開発はＵＰＳ法の能力・信頼性を高める重要な課題と考える。

光電子強度振動による表面準位の同定

「シリコンＭＢＥ成長中の光電子分光強度振動」で紹介したエピタキシャル成長中のUPS強度振動は、表面準位の新同定法開発につながる興味深い現象である。すなわち、下図に示した実験から以下のことがわかる。

Si(100)上のシリコン成長中にＵＰＳ測定を行い各電子状態の強度変化を測定するとスペクトル中の幾つかの結合エネルギー（Ｅ_Ｂ）でその強度が周期的に振動する。
振動する電子状態は表面ダングリングボンドに由来する準位ではなくそこから僅かに深い準位（Ｅ_Ｂ～１．２ｅＶ）である。さらにＥ_Ｂ～４ｅＶの準位も振動する。

図　ジシランGS-MBE中のUPS振動。様々な光電子エネルギー(a-l）で測定している。

ジシランによる結晶成長中の表面が清浄表面と同一の表面準位を持っているとは限らないが、これまでに分かっている清浄表面の表面準位とかなり合致する結果になっている。すなわち、

Ｅ_Ｂ～１．２ｅＶの構造(h-k)は、表面準位の可能性がある。確かにＥ_Ｂ～１．２ｅＶの構造はすでに幾つかの研究グループによって表面準位の存在が示唆されていた。しかし明確にされているわけではなかった。
Ｅ_Ｂ～４ｅＶの構造(b-d)も、表面準位の可能性がある。これまでの研究では理論的にダイマーボンドに由来する表面準位としてこのエネルギー領域に表面準位があることが予想されていたが、実験的には準位が深いため判別が難しく、存在の証拠はなかった。

以上のように、結晶成長中にリアルタイムで光電子スペクトルを測定することで、表面準位の同定が可能であると示唆される。特に、通常の方法では深い準位は表面準位の同定が難しかったが、本方法ではエネルギーに依らず同定できる点が特徴である。

表面準位同定法	問題点
バルクのバンドギャップ中に存在する。	バルク価電子帯中に存在する表面準位は同定できない。
水素等の表面終端化により消失する。	新たな表面準位の発生やサブサーフェスの変化が懸念される。
角度分解型のＵＰＳ測定によりバンド分散を測定したとき得られた分散の周期性が表面ブリルアンゾーンのそれを反映する。	角度分解型の測定は多大な時間を必要とし、また装置や測定が煩雑である。さらに分散があまりないまたはあいまいな表面準位の場合、その同定が難しい。