九州シンクロトロン光研究センター
県有ビームライン利用報告書
課 題 番 号 ： 1809089T

Ｂ Ｌ 番 号 ： 12（様式第 5 号）

高 分 解 能 XPS に よ る Al-O-C 薄 膜 の 解 析Characterization of Al-O-C thin layers using high resolution XPS
尾家 翔太郎・梶原 隆司・田中 悟
Shotaro Oie・ Takashi Kajiwara・ Satoru Tanaka
九州大学大学院工学研究院エネルギー量子工学部門
Department of Applied Quantum Physics and Nuclear Engineering, Kyushu University
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先 端 創 生 利 用（ 長 期 タ イ プ ）課 題 は 、実 施 課 題 名 の 末 尾 に 期 を 表 す（ Ⅰ ）、（ Ⅱ ）、（ Ⅲ ）を 追 記
してください。
利 用 情 報 の 公 開 が 必 要 な 課 題 は 、本 利 用 報 告 書 と は 別 に 利 用 年 度 終 了 後 2 年 以 内 に 研 究 成 果 公
開｛ 論 文（ 査 読 付 ）の 発 表 又 は 研 究 セ ン タ ー の 研 究 成 果 公 報 で 公 表 ｝が 必 要 で す (ト ラ イ ア ル
利 用 を 除 く )。
実験に参加された機関を全てご記載ください。
共 著 者 に は 実 験 参 加 者 を ご 記 載 く だ さ い （ 各 実 験 参 加 機 関 よ り 1 人 以 上 ）。

１．概要（注：結論を含めて下さい）
4H-SiC(0001)上 の Al-O-C 薄 膜 に 対 し て 高 分 解 能 XPS に よ り 解 析 を 行 っ た 。 以 前 行 った XPS 測 定 で は 、高 温 で ア ニ ー ル を す る こ と が で き な か っ た た め 、表 面 処 理 が 不 十 分 であ る 可 能 性 が あ っ た 。今 回 ~400℃ で ア ニ ー ル し た 後 測 定 を 行 っ た 結 果 、C 1s の ピ ー ク 強度 に 変 化 が 見 ら れ 、薄 膜 中 に C は 含 ま れ な い こ と が 分 か っ た 。ま た 、低 エ ネ ル ギ ー の 測定 結 果 か ら 、 Si 2p,Al 2p ス ペ ク ト ル に ケ ミ カ ル シ フ ト は 観 察 さ れ な か っ た 。 以 上 の 結 果か ら 、 薄 膜 の 組 成 は 、 Al,O,C で は な く Al,O か ら な る と 推 察 さ れ る 。
（ English ）We analyzed Al-O-C thin films on 4H-SiC (0001) with high resolution XPS. In the previous
XPS measurement, since it was not possible to perform annealing at high temperature, there
was a possibility that the surface treatment was not sufficient. As a result of the measurement
after annealing at 400 ° C, the peak intensity of C 1s was changed and it was found that C was
not contained in the thin film. From the measurement results of low energy, no chemical shiftwas observed in Si 2p and Al 2p. From the above results, it was found that the composition of
the thin film was composed of Al, O, not Al, O and C.
２．背景と目的
SiC はワイドバンドギャップ、高熱伝導度といった特性から次世代のパワーデバイスとして期待されているが、MOSFET では SiO₂/SiC 界面における高い界面準位密度がチャネル移動度の低下の原因となっている。そこで、界面の改善を目的とした SiC 表面上の超薄膜に関する研究が行われており、SiC(0001)上では silicate[1]や SiON[2]といった大気安定の超薄膜がエピタキシャル成長することが報告されている。本研究では新たな超薄膜形成を目指しており、優れた高誘電率絶縁体である酸化アルミニウムに着目し、AlO 系超薄膜の形成を試みた。試料の作製手法は、SiC 基板を箱型のサセプターに入れ、Al,O の供給源となる Al2O3 セラミック板でふたをし、水素雰囲気下で加熱を行った。
結果としては 4H-SiC(0001)上に厚さ~1.4 Åで(3√3×3√3)R30°(以下 3R3)構造を持つ超薄膜の形成が確認されている。この 3R3 構造に対して Al Kα 線を用いた XPS 測定を行っており、bulk の SiCのピークの他に、Al,O,C のピークが観察されている。しかし、測定を行った装置では基板のアニールを高い温度で行うことができないため、表面の水分や有機物を十分に取り除くことができておらず、測定前の表面処理が不十分である可能性がある。また、より表面敏感な測定を行うことで結合状態に関する新たな知見が得られる可能性がある。そこで今回の課題では、高温でのアニール後、高分解能 XPS で解析を行うことにより、より詳細なピーク分離を行うことを目的とした。

３．実験内容（試料、実験方法、解析方法の説明）
試料は4H-SiC(0001) on-axis基板を用い、まず初めに基板表面の清浄化のためにH2を1 slm流し大気圧下で1400 ℃, 15 minのアニールを行った。その後基板を図に示す容器に入れ、H2を1 slm流し大気圧下で1200 ℃, 2 minで加熱を行うことで、Al-O-C薄膜を作製した。解析は、まず初めにアニール前に放射光のエネルギーを700 eVとして測定を行った。次に、~400 ℃でアニールを行った後、放射光のエネルギーを700 eVとして測定を行った。最後に、放射光のエネルギーを140 eVとして測定を行った。

図 1 成長装置の模式

４．実験結果と考察
図 2(a)(b)放射光のエネルギー700 eV のアニール前とアニール後の C 1s スペクトルをそれぞれ示す。
図 2(a)からアニール前のスペクトルは以前行った測定と類似したスペクトルであり、bulk の Si-C 結合より高エネルギー側にシフトしたピークは、3R3 構造中の C-O 結合に由来するものと考えていた。
しかし図 2(b)より、~400 ℃でアニールを行うことにより高エネルギー側のピークは減少したことか
ら、このピークは表面に付着した有機物によるものと考えられる。このことから、3R3 構造に C-O結合はなく、C は含まれないことが分かった。

図 2 エネルギー700 eV の C 1s スペクトル(a)アニール前 (b)アニール後
図 3(a)(b)に放射光のエネルギー140 eV の Si 2p, Al 2p のスペクトルをそれぞれ示す。図 3(a)から表面敏感な測定であっても Si は bulk のピークのみでフィッティングを行うことができ、Si＋といったシフトは観察されない。このことから、3R3 構造中に Si は含まれないことが分かった。図 3(b)から表面敏感な測定であっても Al 2p はシングルピークでフィッティングを行うことができ、ケミカルシフトは観察されない。このことから、3R3 構造中には Al-O 結合のみ存在すると考えられる。

図 3 エネルギー140 eV の (a)Si 2p スペクトル (b)Al 2p スペクトル５．今後の課題
今回の XPS 測定で 3R3 構造の組成についての知見が得られた。しかし、構造決定を行うためには原子の層間距離や面内の原子位置に関する情報が必要であり、X 線 CTR 散乱測定や、STM 等による解析が必要である。

６．参考文献[1] J. Bernhardt et al., Appl. Phys. Lett. 74, 1084 (1999).
[2] T. Shirasawa et al., Phys. Rev. Lett. 98, (2007) 136105.

７．論文発表・特許（注：本課題に関連するこれまでの代表的な成果）無し
８．キーワード（注：試料及び実験方法を特定する用語を２～３）

XPS
９．研究成果公開について（注：※２に記載した研究成果の公開について①と②のうち該当しない方を消してください。また、論文（査読付）発表と研究センターへの報告、または研究成果公報への原稿提出時期を記入してください（2019 年度実施課題は 2021 年度末が期限となります）。
長期タイプ課題は、ご利用の最終期の利用報告書にご記入ください。

① 論文（査読付）発表の報告② 研究成果公報の原稿提出（報告時期：（提出時期：年年月）月）