高輝度放射光を用い、Si酸化膜の成長過程を解明：酸化反応にSi基板のキャリアが関与

日本原子力研究開発機構（原子力機構）と東北大学、福井工業高等専門学校（福井高専）の研究グループは、高輝度放射光を用いてシリコン（Si）酸化膜の成長過程を観察し、Si酸化膜反応に電子や正孔といったキャリアが関与していることを発見した。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

酸化ハフニウムなどhigh-k材料を利用したデバイス作製にも有用

　日本原子力研究開発機構（原子力機構）と東北大学、福井工業高等専門学校（福井高専）の研究グループは2022年12月、高輝度放射光を用いてシリコン（Si）酸化膜の成長過程を観察し、Si酸化膜反応に電子や正孔といったキャリアが関与していることを発見したと発表した。

　Si基板上にトランジスタを作製する時、ゲート絶縁膜として厚みが約1nmレベルの酸化膜を作り込む必要がある。この酸化膜に欠陥があると、消費電力が増加したり、誤動作を引き起こしたりする可能性がある。このため、良質な酸化膜を作製する必要がある。しかし、原子レベルの膜厚領域では、酸化反応のメカニズムが十分に理解されていなかったという。

　そこで研究グループは、大型放射光施設「SPring-8」の原子力機構専用ビームライン「BL23SU」を利用し、X線光電子分光法でSi表面の酸化反応を調べた。特に、SiO₂／Si界面における欠陥に着目した。

SiO₂／Si界面欠陥でO₂が反応し、SiO₂膜が成長する様子 出所：東北大学他

SiO₂／Si界面におけるO₂の反応過程の模式図 出所：東北大学他

　SiO₂／Si界面では、SiO₂生成に伴い体積が膨張し、大きなひずみが掛かる。このひずみによって界面では欠陥が生じるといわれている。研究グループはこれまでの研究で、「O₂が反応して欠陥が生じる」ことを明らかにしてきた。ただ、その詳細な過程は不明であった。

　そこで今回、「欠陥にキャリアが結びつき、化学的に反応しやすい状態となってO₂と反応するのではないか」と予想し、放射光を用いたリアルタイム光電子分光測定を行い実証した。さらに実験では、生じた反応しやすい欠陥において、O₂が分子のまま吸着することを見いだした。その後、O₂はO原子に解離し、Si-O-Si結合を形成することが分かった。

SiO₂／Si界面における欠陥生成の模式図 出所：東北大学他

　近年は、酸化ハフニウム（HfO₂）のような、高い比誘電率をもつ材料（high-k材料）をゲート絶縁膜に用いるトランジスタも増えている。このようなケースでも、HfO₂膜とSi基板の間に、約1nmのSiO₂を形成することで、欠陥の少ない界面を実現できるという。

　今回の研究成果は、原子力機構物質科学研究センターエネルギー材料研究グループの津田泰孝博士研究員と吉越章隆研究主幹および、東北大学マイクロシステム融合研究開発センターの高桑雄二教授、国際放射光イノベーション・スマート研究センター兼多元物質科学研究所の小川修一助教ならびに、福井高専の山本幸男教授らによるものである。