シリコン酸化膜｜半導体プロセスにおける基盤的な絶縁膜

シリコン酸化膜

シリコン酸化膜は、シリコン基板の表面を酸素または水蒸気と反応させることで形成される酸化絶縁膜である。一般的にSiO2膜として知られ、半導体プロセスにおいてトランジスタのゲート絶縁膜や保護膜、拡散マスクなど、多岐にわたる役割を担っている。結晶性シリコン表面との境界が比較的整合しやすく、界面特性が良好になることが大きな特徴をもつ。そのためMOSFETなどの微細加工デバイスで高性能化を実現する基盤技術として長らく利用されてきた。さらに堅牢な化学的耐性、優れた絶縁特性、そして形成プロセスの確立などから、現在でも多種多様な半導体製造工程で必須の膜として扱われている。

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生成プロセス

シリコン酸化膜の生成法としては、熱酸化とCVD(Chemical Vapor Deposition)法の2つが代表的な方法である。熱酸化では、高温の炉内にシリコンウェハを入れ、酸素(O2)または水蒸気(H2O)と反応させるドライ酸化およびウェット酸化が用いられる。ドライ酸化は膜質が緻密で界面特性が良好になるが、成膜速度が遅い。一方、ウェット酸化は成膜速度が速く、厚膜を形成する場合に適している。CVD法ではシラン(SiH4)やTEOSなどのシリコン源と酸化剤をガス相反応させて膜を成長させるため、低温や大面積での成膜が可能になる。

種類と特徴

シリコン酸化膜は生成条件の違いによって性質が変化する。熱酸化によるドライ酸化膜はSi-SiO2界面が平滑で信頼性が高く、MOSデバイスのゲート酸化膜に用いられることが多い。ウェット酸化膜は比較的欠陥が多いものの、短時間で厚い膜を形成できるメリットがある。またプラズマCVDやLPCVDなどの各種CVDプロセスにより生成された酸化膜は、温度条件や使用ガスによって膜の緻密度や内部ストレスが左右されるため、歩留まり向上とプロセスコントロールの観点から最適な条件を探ることが重要となる。

膜厚測定

シリコン酸化膜の膜厚を正確に測定することはデバイス特性を管理する上で不可欠といえる。エリプソメトリーはその代表的手法であり、反射光の偏光状態から薄膜の光学的厚みを求める。精度が高く、非破壊である点が利点として挙げられる。また干渉計方式の膜厚計やXPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy)による深さ方向分析も行われる。いずれの手法を使用する場合も、測定前後のキャリブレーションや参照サンプルの活用により信頼性を向上させることが欠かせない。

役割と応用

シリコン酸化膜は絶縁特性や界面安定性に優れており、集積回路のゲート絶縁膜として広く採用されてきた。特に微細化に伴いゲート酸化膜を薄膜化することで、トランジスタの駆動力を高めることが可能となる。さらにデバイスの保護膜やパッシベーション膜としても重要であり、外部環境からの水分や汚染物質の侵入を防ぐ役目を果たす。メモリデバイスやセンサなどでも必須の要素技術であるため、半導体の高機能化や高信頼化に大きく貢献している。

課題と対策

デバイスの微細化が進むにつれ、ゲート酸化膜のさらなる薄膜化が求められている。しかし極薄膜ではトンネル電流によるリークや信頼性低下といった課題が顕在化し、高誘電率(HfO2など)材料を用いたHigh-kゲート絶縁膜との置き換えが検討されている。また酸化プロセスにおける微量金属汚染やパーティクルの混入は、デバイス歩留まりを左右する大きな要因である。そのためクリーンルーム環境の徹底管理や先端的な計測手法による工程監視が不可欠となっている。