Si/SiO₂界面の構造と性質

半導体デバイスには必ず酸化膜(SiO₂)が存在します。界面は電気特性や影響するため、Si/SiO₂界面の構造を理解することは非常に重要です。ここでは、Si/SiO₂界面の構造・性質について解説します。

なお、こちらの解説は先人たちの名著：半導体シリコン結晶工学を大いに参考にさせていただいております。興味がある方はぜひご参照してください。

半導体製造工程の流れ

Si/SiO₂界面の構造

下図は、Si(100)面を[110]方向から観察した場合の、SiO₂とSi界面の高分解能電子顕微鏡(HR-TEM)像です。

シリコン基板は結晶格子に起因する明瞭な原子像が得られているのに対し、SiO₂はアモルファスで規則的な結晶格子は確認されません。

SiとSiO₂(熱酸化膜)の界面構造は、概ね下記の様に遷移すると考えられています。

基板側から順番に、Si基板/歪んだSi/界面/SiO_x/歪んだSiO₂/SiO₂という構造となっています。

この界面近傍の応力を緩和するために、Si基板と酸化膜界面では、組成遷移領域としてSiO₂から酸素が欠損したSiO_xが形成されると考えられています。

一方で、組成遷移領域により歪を完全に除去することは難しく、酸化膜とSi基板、双方に応力・歪みが残留し、電気特性に影響を与えると考えられます。

ドーパントの再分布

これは、Si中とSiO₂のドーパントの固溶度と拡散速度(拡散係数)が異なるためです。Si中の不純物濃度を[C]_Si、SiO₂中の不純物濃度を[C]_SiO2とすれば、平衡偏析係数mは次式で定義されます。

シリコンの偏析現象：偏析係数と固溶度

Si/SiO₂間の平衡偏析係数mは酸化雰囲気や熱処理条件、結晶面方位などで異なりますが、

• 偏析係数m<1：ホウ素(B)
• 偏析係数m>1：リン(P)、ヒ素(As)、ガリウム(Ga)

とされています。ドーパントの偏析は偏析係数mで表されますが、ドーパントの再分布はSi/SiO₂間の拡散速度比、SiO₂/Si界面の移動速度(=酸化速度)、ドーパント種によるSiO₂中の拡散速度の相対比率などの要因によって決定されます。

下図は、偏析係数と、酸化膜中の不純物の拡散速度の組み合わせによる、Si/SiO₂の濃度分布の分類表です。

酸化膜形成前のドーパント分布は一定です(破線)。一方、

• 偏析係数m<1の場合

ドーパントはSiO₂中に偏析します。拡散速度が小さい場合には、界面のSiO₂側に高濃度にドーパントが蓄積されます。拡散係数が早い場合には、SiO₂のドーパントはより低濃度・広範囲に分布します。

• 偏析係数m>1の場合

ドーパントはSi中に偏析します。拡散速度が小さい場合には、界面のSi側に、高濃度かつ急峻ににドーパントが蓄積されます。拡散係数が早い場合には、SiO₂のドーパントはより低濃度・広範囲に分布します。

上記は一例であり、実際のドーパント再分布は基板方位・酸化雰囲気・熱処理条件などに依存します。

SiO₂/Si界面近傍の酸化によるドーパント拡散・再分布は避けることが出来ないため、半導体デバイスの設計時には注意が必要です。