[論文レビュー] Effects of processing on the stability of molybdenum oxide ultra-thin films

Aitana Tarazaga Martín-Luengo, Harald Köstenbauer+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2016

Transition Metal Oxide Nanomaterials参考文献 53被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、標準的な湿式化学処理が超薄膜モリブデン酸化物（MoOₓ）膜の安定性および電子的性質に与える影響を調査する。XPS、ARXPS、XRRを用いて、フォトリソグラフィー用レジストおよび溶媒を用いた処理が、ギャップ状態の生成や組成・密度・構造の変化を引き起こす顕著な還元を引き起こすことを示した。特に非化学计量なMoOₓ膜において顕著であり、完全酸化状態および完全金属状態の膜はより高い安定性を示す。

ABSTRACT

The effects of wet chemical processing conventionally employed in device fabrication standards are systematically studied on molybdenum oxide (MoOx) ultra-thin films. We have combined x-ray photoelectron spectroscopy (XPS), angle resolved XPS and x-ray reflectivity techniques to provide deep insights into the changes in composition, structure and electronic states upon treatment of films with different initial stoichiometry prepared by reactive sputtering. Our results show significant reduction effects associated with the development of gap states in MoOx, as well as changes in the composition, density and structure of the films, systematically correlated with the initial oxidation state of Mo.

研究の動機と目的

• 標準的な湿式化学処理が超薄膜MoOₓ膜の安定性に与える影響を体系的に評価すること。
• 処理に起因する変化がMoOₓの酸化状態、組成、および電子構造に与える影響を理解すること。
• 膜の安定性および電子的性質を初期化学计量（MoO₃、MoO₂₊ₓ、MoO₃₋ₓ、Mo）と関連付けること。
• MoOₓベースのデバイスにおける意図しない還元およびギャップ状態形成を最小限に抑える処理プロトコルを同定すること。
• 信頼性のある電荷輸送応用を目的としたMoOₓのバンド状態を設計するための指針を提供すること。

提案手法

• 反応スパッタリングを用いて、酸素分圧を制御することで、ガラス基板上に約10 nm 厚のアモルファスMoOₓ膜を成長させ、明確な化学计量を実現した。
• X線光電子分光法（XPS）および角度分解XPS（ARXPS）を用いて、MoおよびOの化学状態、酸化状態、および深度プロファイルを分析した。
• X線反射率（XRR）測定を実施し、膜厚、密度、界面粗さを決定した。データはGenXソフトウェアおよびParratt再帰法を用いてフィッティングした。
• 酸化状態の変化や化学吸着種の存在に起因する密度勾配を模擬するため、密度が可変な二層モデルを用いた。
• 標準的なフォトリソグラフィー用レジスト（Shipley S1818）および溶媒を用いた処理を実施し、その後大気中での露出を経て、デバイス製造工程を模擬した。
• 絶対値対数誤差に基づく性能指標（FOM）を微分進化アルゴリズムを用いて最小化し、層パラメータを最適化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 湿式化学処理は、超薄膜MoOₓ膜の酸化状態および化学組成にどのように影響を与えるか？
• RQ2 処理に起因する変化が、MoOₓ膜にギャップ状態を生成する程度はどの程度か？
• RQ3 Moの初期化学计量および酸化状態は、処理中のMoOₓ膜の安定性にどのように影響するか？
• RQ4 化学吸着種は、Mo陽イオンの還元およびMoOₓの電子構造の変化に果たす役割は何か？
• RQ5 処理後の膜密度および界面粗さはどのように変化するか？また、初期膜組成とそれらの相関関係は何か？

主な発見

• フォトリソグラフィー用レジストおよび溶媒を用いた処理は、特に非化学计量な相（MoO₃₋ₓおよびMoO₂₊ₓ）において顕著な還元を引き起こし、ギャップ状態の生成をもたらした。
• 還元効果は表面に限らず、Moの初期酸化状態に強く相関しており、中間酸化状態を示す膜でより顕著な還元が観察された。
• XRR分析により、処理後の膜密度および厚さに変化が生じたことが判明した。特にMoO₃₋ₓおよびMoO₂₊ₓ膜で顕著な変化が観察され、構造的および組成的変化が示された。
• 角度分解XPSにより、還元およびギャップ状態の生成が表面に限らず、膜の内部にも及んでいることが示された。深度プロファイルから、化学吸着種または酸素空孔が関与していることが示唆された。
• 完全酸化状態（MoO₃）および完全金属状態（MoO₂₊ₓ）の膜は、処理に起因する還元に対して最も高い安定性を示し、デバイス統合においてより頑丈であることが示された。
• 4日間の大気中露出後も、還元およびギャップ状態の強度は安定しており、変化は一時的ではなく、持続的であることが示された。