Initial oxidation processes of ultrathin hafnium film and hafnium disilicide islands on Si(100)-21 surfaces studied using core-level X-ray photoelectron spectroscopy

内殻準位のX線光電子分光を使ったSi(100)-21表面上の極薄ハフニウム膜と島状ハフニウムシリサイドの初期酸化プロセスの研究

垣内 拓大*; 山崎 英輝*; 塚田 千恵*; 吉越 章隆 

Kakiuchi, Takuhiro*; Yamasaki, Hideki*; Tsukada, Chie*; Yoshigoe, Akitaka

光電子分光法を用いてSi(100)-21表面上のハフニウム(Hf)超薄膜の酸化を調べた。金属Hfは急速に酸化され二酸化ハフニウム(HfO)とその亜酸化物に変化した。界面のHfSi成分は、Oとほとんど反応しなかった。これらの事実は、Hf/Si(100)薄膜の初期酸化において金属Hfの存在が重要であることを示唆している。873Kから973Kにアニールした後、低価数のHf亜酸化物は完全に酸化されてHfOになった。アニール温度が約1073Kに達すると界面のSiOと極薄HfOから酸素が完全に除去された。そして、極薄HfO層が島状ハフニウムシリサイド(-HfSi)に変化し、Si(100)-21表面上に形成された。-HfSiは298KでOとわずかに反応した。Si(100)-21表面の初期酸化とは対照的に、-HfSiは優先的に酸化された。

We investigated the initial oxidation of ultrathin hafnium (Hf) film on Si(100)-21 using photoelectron spectroscopy. Metallic Hf rapidly oxidized, transforming into hafnium dioxide (HfO) and its suboxides. The other HfSi component at the interface was nearly unreactive with O molecules. These facts suggest that the metallic Hf component plays a vital role in the initial oxidation of the ultrathin Hf/Si(100) film. After annealing from 873 K to 973 K, the Hf suboxides in low ionic valences progressed into fully oxidized HfO. Once the annealing temperature reached c.a.1073 K, oxygen atoms were entirely removed from the ultrathin HfO/Si(100) film containing SiO at the interface. Simultaneously, ultrathin HfO layers changed into islands of Hf disilicide (-HfSi) on a bare Si(100)-21 surface. The -HfSi component showed slight reactivity with O molecules at 298 K. In contrast to the initial oxidation of clean Si(100)-21 surface, the dangling bonds on bare Si(100)-21 surface among -HfSi oxidized preferentially.