一酸化二窒素ガスを用いた急速熱処理による高品質極薄シリコン酸窒化膜の形成

1999 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 10650328
• 研究機関: 室蘭工業大学
• 研究代表者: 野村 滋 室蘭工業大学, 工学部, 教授 (10002859)
• 研究分担者: 福田 永 室蘭工業大学, 工学部, 助教授 (10261380)
• キーワード: 極薄シリコン酸窒化膜 / 急速熱処理 / シリコンテクノロジー / デバイスプロセス / 一酸化二窒素ガス

研究概要

一酸化二窒素ガス雰囲気中において、シリコンウェーハを、900℃〜1200℃の温度範囲、酸窒化時間5〜300秒の範囲の種々の条件下で急速加熱処理することによりシリコン酸窒化膜を形成した。膜の形成機構と膜質の構造評価を、膜組成の評価を表面からのエッチング処理によるエッチングレイトの変化を調べること、およびオージェ電子分光、X線光電子分光により行い検討した。その結果、エッチングレイトが表面付近では早く、シリコン/シリコン酸窒化膜界面付近では遅くなることから、組成は界面付近に高い窒素濃度をもつ層の存在が確認された。このことは、オージェ電子分光、X線光電子分光によっても証明された。成長機構を形成された膜厚と形成時間(酸化時間)の関係から考察したが、酸化時間が長く比較的厚い膜の場合はDeal-Grobeモデルで説明できるが、酸化時間が短く、初期酸化膜(自然酸化膜)が存在しているような場合の酸化では、線形放物線型成長モデルが適用できないことが判明した。そこで次に、窒素原子の影響を考慮し、窒素原子が成長サイトを中性化し、酸化を抑制する効果を取り入れている反応中和モデルによる実験結果の解析を試みた。しかし、初期過程の領域の実験結果と理論の一致が得られなかった。そのため、界面における酸窒化種の濃度分布を正確に把握することにより、長時間の場合と短時間の場合の両領域の酸化を記述する速度方程式を用いているモデルによる実験データと理論式のフィッテングを試みた。その結果初期過程の領域の成長が説明でき、一酸化二窒素ガス中での酸窒化では初期過程で形成される高い拡散性を持つ窒素リッチな層の存在によって成長が抑制されることが明らかとなった。この膜の電気的特性の評価をMOSC-V特性、絶縁耐圧、リーク電流の測定により行った。従来の酸化膜に比し信頼性の高い特性を示す膜が得られた。この技術は5nm以下の極簿シリコン酸窒化膜を制御性よく形成することができ、次世代半導体デバイスの重要な作成技術の一つとなることが期待される。

研究成果

• [文献書誌] H.Fukuda: "Growth Kinetics of Ultrathin Oxynitride Films Formed by Rapid Thermal Oxidation in a Nitric Oxide (NO) Ambient"Extend Abstracts on the 1999 International Symposium on Surface Science for Micro- and Nano-Device Fabrication. ps2-41 (1999)
• [文献書誌] H.Fukuda: "Growth and Characterization of Ge Nanocrystals in Ultrathin SiO_2 Film"Applied Surface Science. 130-132. 776-780 (1998)
• [文献書誌] 福田永: "ギガビットULSIに向けた極薄シリコン酸窒化膜"電子情報通信学会 論文誌 C-II. J82-C-II,NO2. 49-55 (1999)
• [文献書誌] 佐藤大介: "急速熱酸化膜の成長機構についての検討"電子情報通信学会 技術研究報告. 98・236. 19-24 (1998)
• [文献書誌] 佐藤卓: "急速熱窒化技術による極薄窒化膜成長とその電気的特性評価"電子情報通信学会 技術研究報告. 98・236. 1-6 (1998)
• [文献書誌] 綾良輔: "急速熱酸化技術による極薄N_2O酸窒化膜の形成"電子情報通信学会 技術研究報告. 98・236. 13-18 (1998)
• [文献書誌] 野村 滋: "極薄シリコン酸化膜の形成と界面評価技術"株式会社 リアライズ社. 162 (1997)
• [文献書誌] 野村 滋: "非晶質シリカ材料応用ハンドブック"株式会社 リアライズ社. 620 (1999)