N_2O酸窒化急速熱処理による高性能極薄シリコン酸化膜の形成

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試料として、引き上げ法により作製されたp型(100)面、単結晶シリコンウェハ、比抵抗1-2Ω-cmを用い、酸化および酸窒化をするために酸素、一酸化二窒素(N_2O)、および酸化窒素(NO)の各ガスを用いてシリコン酸窒化膜を形成した。酸化時間は15、30、60分であり、酸化温度は800C-1200Cまで100度刻みを用い、酸窒化ガスの流量を100ml/minとしそれぞれ膜を形成した。膜厚はエリプソメータで測定され、界面準位密度をC-V法で、また絶縁破壊強度を直偏法で測定した。この界面準位の測定には備品として購入したパーソナルコンピュータを用い、自動測定プログラムを開発し同時測定が可能なようにした。それぞれのガスでの酸化温度と時間の関数として膜厚を検討してみると、一同条件であるにも係わらず、酸素、一酸化二窒素、酸化窒素の順で膜形成速度が遅くなり、酸窒化膜の成長の自己抑制が良くみられている。酸素による酸化膜はシリコンへの酸化種の拡散によって成長するがN_2O、またはNOを用いて酸化を行うと酸化膜/シリコン界面に窒素濃度の高い層ができ、酸素はシリコンへ拡散するのを妨げられ、酸化膜表面に拡散するため、膜は極薄であるのに拡散の限界となる。これは酸窒化膜SiO_xN_yによる緻密な原子構造をとり、SiO_2に比べよりよい拡散障壁となるためであることが判明した。酸化温度の増加は界面準位密度(D_<it>)の減少をもたらすが、酸化膜厚を薄くすることはD_<it>の増加をもたらすことを明確に示した。さらに、この減少を酸化膜成長速度の観点からみると、酸化過程それ自体がSi界面欠陥(ダイグリングボンド)の消滅を表す一次の反応速度式を導入することにより、D_<it>の時間変化を正確に記述することが可能となった。