熱酸化

シリコンウェハーの熱酸化：半導体製造における基盤技術

半導体集積回路製造において、シリコンウェハー表面に二酸化ケイ素（SiO₂）の薄膜を形成する熱酸化は、極めて重要なプロセスです。この技術は、ウェーハの表面特性を制御し、デバイスの電気的特性や信頼性を向上させる役割を担っています。

熱酸化の原理

熱酸化は、高温環境下（通常800～1200℃）で、シリコン基板と酸素または水蒸気との化学反応によって二酸化ケイ素膜を成長させる方法です。酸素供給源として水蒸気を使用する場合は「湿式酸化」、酸素ガスを使用する場合は「乾式酸化」と呼ばれます。それぞれの化学反応式は以下の通りです。

湿式酸化：Si + 2H₂O → SiO₂ + 2H₂

乾式酸化：Si + O₂ → SiO₂

反応速度は温度に大きく依存し、高温ほど速くなります。「急速熱酸化（RTO）」と呼ばれる手法では、非常に短い時間で極薄の酸化膜を形成できます。

Deal-Groveモデル

酸化膜の成長速度を予測する上で、Deal-Groveモデルは広く用いられています。このモデルは、酸化膜の厚さと酸化時間との関係を記述する数式を提供し、様々な条件下での酸化膜成長を精度良くシミュレーションできます。モデルは初期酸化膜の厚さや、反応速度、拡散速度といったパラメータを考慮することで、より正確な予測が可能になります。

酸化技術と炉の種類

熱酸化は、一般的に工業炉を用いて行われます。従来は、ウェーハを垂直に配置する水平型炉が主流でしたが、近年はウェーハを水平に配置する縦型炉が普及しつつあります。縦型炉は、ウェーハへの粉塵付着を抑制し、酸化膜の厚さ均一性向上に貢献するメリットがあります。また、真空予備室による窒素パージによって、酸化前の自然酸化膜の成長を抑制することも可能です。

酸化膜の品質とドーパント

湿式酸化は乾式酸化に比べて成長速度が速いものの、酸化膜の密度が低く、絶縁耐力が低下する傾向があります。一方、乾式酸化は成長速度が遅いため、厚い酸化膜を形成するには時間がかかります。そのため、実際には、高品質な酸化膜を得るために、乾式酸化と湿式酸化を組み合わせる手法が用いられることが多く、一般的に「乾湿乾」のサイクルで行われます。

ドーパント（不純物）は、酸化膜の成長に影響を与えます。シリコンと酸化物ではドーパントの溶解度が異なるため、酸化膜はドーパントを選択的に取り込んだり、拒絶したりします。この現象は、偏析係数と拡散率によって支配されます。また、金属イオンはMOSFETなどのデバイス性能を劣化させるため、塩素を添加することでこれらのイオンを固定化し、性能劣化を防ぐ工夫がなされています。

LOCOSプロセスと結晶方位

熱酸化は、ウェーハ全体ではなく、特定の領域にのみ行うことも可能です。この手法はLOCOS（Local Oxidation of Silicon）プロセスと呼ばれ、窒化シリコン膜をマスクとして使用することで、酸化を局所的に制御します。しかし、酸化剤がマスク下を横方向に拡散するため、完全にシャープな形状を得ることは困難です。さらに、シリコンの結晶方位も酸化速度や酸化膜の品質に影響を与えます。<100>方位のウェーハは<111>方位のウェーハに比べて酸化速度が遅いですが、電気的によりきれいな界面を形成します。

熱酸化と他の酸化技術

熱酸化は、化学気相成長法（CVD）などの低温酸化法と比較して、高品質で界面がきれいな酸化膜を形成できる点が利点です。しかし、高温を必要とするため、高温に弱いデバイス構造への適用には制約があります。例えば、MOSFETのソース・ドレイン領域へのドーピング後に熱酸化を行うと、ドーパントの分布が乱れるため、通常は行われません。

まとめ

熱酸化は、半導体製造における必須プロセスであり、その制御技術はデバイス性能に直接的な影響を与えます。本稿では、熱酸化の基礎原理から、最新の技術動向までを概観しました。今後も、より高品質で効率的な熱酸化技術の開発が求められています。

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