8
5. シリコンの熱酸化 5.1 熱酸化の目的 Siウェーハは大気中で自然酸化して表面に非常に薄いがSiO 2 の膜で被覆されている。 Siとその上に生じたSiO 2 膜の密着性は強力である。酸化を高温で行なうと厚い緻密で 安定な膜が生じる。Siの融点は 1412℃であるが、SiO 2 の融点は 1732℃であり被膜は非 常に高い耐熱性をもつ。全ての金属や半導体が密着性の高い緻密な酸化膜により容易 に被覆される特性を持つ訳ではなく、Siを半導体素子に組み立てる上で実用上非常に 有益な効果として利用されている。最初に発明されたGeのトラジスタがSiのトランジ スタに代わったのもSiと相性のよい電気的・機械的・熱的・化学的特性の優れた絶縁 体のSiO 2 を熱酸化により形成して、MOSトランジスタ構造やパシベーションに応用で きたからである。 熱酸化温度は 800~1100℃で行なわれるが、この温度領域はウェーハ作製工程のその 他の熱処理温度の最高温度範囲に属する。従って熱酸化を行なうと同時に幾つかの熱 処理効果が同時に行なわれる。また本来それよりも低温で行なうべき処理の後では熱 酸化するとそれ以前の処理が無効になる。それ故に熱酸化はウェーハプロセスの初期、 トランジスタ形成以前(FEOL)で使うプロセス技術である。金属配線で使用するAlの融 点は 660℃であり、配線処理後には熱酸化は使えないのでSiO 2 絶縁膜は堆積法で形成す る。図 5-1 に各種熱処プロセスとその温度を比較して示す。 5-1 ウェーハ作製工程における各種熱処理プロセスとその温度 5-1 にウェーハ作製工程で使われるSiO 2 絶縁膜の用途、作製法、代表的膜厚を示 す。ゲート酸化膜は非常に薄く、トランジスタ性能を支配する重要な役割を果たす。 0

5. シリコンの熱酸化›³5-11 SiO2 ングボン ドとそのパシベーション /Si 境界面におけるダングリ (5) 5 シリコンの熱酸化

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5.

5.1 SiSiO2SiSiO2Si 1412SiO2 1732

SiGeSiSiSiO2MOS 800~1100

(FEOL)Al 660SiO2 5-1

5-1

5-1 SiO2

40

5-1 SiO2

~1nm

MOSFET 1.5~2nm

~10nm

~0.1m

DRAM ~0.1m

~1m

~0.1m

~1m

~1m

5.2

5-2 (a), (b), (c)

3

H2O

RTP(rapid-thermal processing) 3 5-2 5-3 4

5-2

41

5-3 4 4

5-2 (5~10nm SiO2)

RCA N2800 /SiC ~95010~20/min

N2O2(+Cl) O2(+Cl)N2 2H, 150 /

SiC

5-4 RTP

111 950, 20min RTP 1100, 20sec

5-5 RTP (a)~(c)(e)(d)

42

5-4 RTP (a)(b)

5-5 RTP(a)~(c)(d),(e)

5.3

(5.1)

SiO2(S) + H2(G) (5.2)

Si(S) + O2(G) SiO2(S)

Si(S) + H2O(G)

SiO2O2, H2OSiO2/Si 5-6 5-6 Si

43

SiO2 44%SiSi

3

SiO2/SiSi

2Xoeal-Grove

Xo(t) = (A/2)[ { 1 + ( t + )/( A2/4B )1/2 1} (5.4)

Xo2 = Bt (5.6)

, 5-9

2.27 SiO2

SiO2 SiO2

tSiOD Xo2 + AXo = B(t + ) (5.3)

A, B t = 0 = 0 (5.3)

Xo = (B/A) t (5.5) 2 5-8

5-7

5-8

SiO2H2O

44

SiO2 1000

5.4 2 SiNaFe, NiClHClC2H3Cl2OH

Si(Na+, K+)Si 4 30Si

Na+Si()(terminate)IC 450X

5-9 4

4

2

1 3

45

5-10 Si

5-11 SiO2

/Si

5-12 HRTEM()

)

SiO2 ( Si poly-Si Si

46

5.5

5-3

5-3

1 2 3 4

( )

100

300

500

800

1,000 2,800 4,600 6,500

1,500 3,000 4,900 6,800

1,800 3,300 5,200 7,200

2,100 3,700 5,600 7,500

2,200 4,000 6,000

2,500 4,400 6,200

(1) FEOL BEOL

(3)

(4) ()

(5)

2.25, 2.33g/cm3 SiO2 Si 60, 28

5.6

IC

(2) IC IC

SiO2 Si SiO2 45% SiO2 Si

47