プラズマ窒化プロセスを用いた極薄ゲート絶縁膜形成における反応メカニズムの考察とさらなる薄膜化の検討

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実験結果とモデルに基づいた計算結果の比較から、極薄シリコン酸化膜をプラズマ窒化して得られる酸窒化膜の形成メカニズムを調査し、窒化前のシリコン酸化膜(ベース酸化膜)の厚さ、および窒化条件によって反応メカニズムが異なることを明らかにした。ベース酸化膜が厚い場合は、シリコン酸化膜の表面付近で窒素と酸素の置換反応が起こり、酸素が膜から脱離するため物理膜厚が減少する。その結果、窒化条件によらずSi_3N_4/SiO_2の積層構造が形成され、もとのSiO_2/Si基板界面が維持される。窒化により物理膜厚の減少と誘電率の増加が起こるため電気的膜厚が減少する。一方、ベース酸化膜が薄い場合は、窒素により置換された酸素は膜から脱離せず、ドープされた窒素に対応したシリコンが基板から供給される。この時、物理膜厚が増加し、もとのSiO_2/Si基板界面は維持されない。誘電率上昇の効果を物理膜厚の増加が打ち消してしまうため、窒化による電気的膜厚の薄膜化効果は小さくなる。メインの窒化種がイオンの場合は、均一組成のSiON膜が形成され、界面近傍にも窒素がドープされるため、界面特性の劣化が懸念される。メインの窒化種がラジカルの場合は、ベース酸化膜厚が薄くてもSi_3N_4/SiO_2積層構造が形成され、良好な界面特性が期待される。
社団法人電子情報通信学会の論文
2002-06-13

プラズマ窒化プロセスを用いた極薄ゲート絶縁膜形成における反応メカニズムの考察とさらなる薄膜化の検討

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