励起窒素酸素によるシリコン絶縁膜形成プロセスの研究

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本研究では、リモートプラズマにより生成される励起窒素を用いて、より低温で、より広範囲の窒素濃度制御性を有するシリコン酸化窒化膜形成方法を提案する。さらに、従来の窒化膜形成法の場合を含めての表面反応過程、膜構造変化を解明することにより、将来の半導体表面界面制御技術を確立することを目的としている。本年度においては、マイクロ波電力により窒素および微量の酸素を励起・分解して原子状窒素や酸素等を生成させ、シリコン基板へ供給することにより、550℃の低基板温度で直接窒化酸化を試みた。成長膜について、オージェ電子分光法等による深さ方向組成分析を行い、窒素、酸素濃度、形成膜厚を評価したところ、亜酸化窒素を用いた急熱高温処理の場合と類似して、形成膜中の窒素はおもに酸化膜シリコン界面付近に存在した。窒素酸素ガスの流量比を変化させることにより、ピーク窒素濃度は少なくとも7%程度まで制御でき、明らかに窒素源として亜酸化窒素を用いた場合より広範囲の窒素濃度が得られた。一方、酸化種は膜成長を促進し、界面における窒素の取り込みを可能にするが、窒素の取り込み量は膜成長速度に依存するため、酸化種の供給量が多くなるとむしろ窒素濃度を減少させることがわかった。さらに、処理中における気相中の中間生成物を四重極質量分析器により分析したところ、プラズマ励起した場合に原子状窒素あるいは一酸化窒素の分子が生成されていいることがわかり、これらの分子が窒化種として成膜中の窒素取り込みに寄与していることが推測された。酸化種としては原子状酸素の他にNO、N_2O等も考えられた。以上の結果に基づき、酸素がSiと結合することにより発生する近隣のSi-Si結合に大きなストレスが原因となり、そのような状況で窒素種が近くに存在すれば窒素が取り込まれるとする窒化酸化膜成長モデルを提案した。