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JP2005175023A - High-density silicon oxide film and its forming method, and semiconductor device using the same - Google Patents

High-density silicon oxide film and its forming method, and semiconductor device using the same Download PDF

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JP2005175023A
JP2005175023A JP2003409697A JP2003409697A JP2005175023A JP 2005175023 A JP2005175023 A JP 2005175023A JP 2003409697 A JP2003409697 A JP 2003409697A JP 2003409697 A JP2003409697 A JP 2003409697A JP 2005175023 A JP2005175023 A JP 2005175023A
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JP
Japan
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oxide film
silicon oxide
density
film
silicon substrate
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Application number
JP2003409697A
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Japanese (ja)
Inventor
Atsushi Fukano
敦之 深野
Hiroyuki Oyanagi
宏之 大柳
Akio Sakai
昭夫 坂井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Original Assignee
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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Publication date
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  • Formation Of Insulating Films (AREA)
  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a super-thin (5 nm or less) silicon oxide film having a high insulation breakdown voltage reduced in leakage current. <P>SOLUTION: On a silicon substrate 1, the high-density silicon oxide film 3 having a density of 2.25 g/cm<SP>3</SP>or higher is formed via a sub-oxide layer 2 formed of not more than several atomic layers. The oxide film 3 is formed by a method wherein, while heating the silicon substrate to 100-500°C in an oxygen atmosphere at 1 atmospheric pressure, vacuum ultraviolet rays are irradiated on the silicon substrate to oxidize it. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、シリコン基板上に光酸化法により形成された、熱酸化法によるシリコン酸化膜より密度の高い高密度シリコン酸化膜と製造方法およびそれを用いた半導体デバイスに関するものである。   The present invention relates to a high-density silicon oxide film formed on a silicon substrate by a photo-oxidation method and having a higher density than a silicon oxide film by a thermal oxidation method, a manufacturing method, and a semiconductor device using the same.

半導体技術ロードマップに沿って半導体集積回路の微細化が進められており、テクノロジーノードは現行の130nmから90nmへと進み、数年後には65nmプロセスへと進行することが予定されている。半導体デバイスにおいては、ムーア(Moore)の法則(いわゆるスケーリング則)に則って全体の微細化が図られており、ゲート絶縁膜の一層の薄膜化が必要となるため、より耐圧の高い、すなわちより絶縁性の高い超薄なゲート絶縁膜を信頼性の高く形成することが緊急の課題となっている。
しかしながら、よく知られているように、熱酸化SiO膜は、Si-SiO界面に、酸素が不足した結合状態であるサブオキサイド〔SixOy、但しx=1,y=2以外〕層が形成される。典型的に熱酸化膜では1-1.5nmの膜厚のサブオキサイド層があり、シリコン酸化膜の絶縁特性を悪化させる原因になっている。絶縁限界はSixOy層の膜厚に依存しているので、SixOy層の膜厚はSiOゲート絶縁膜の実効的な膜厚を決定するキーファクタとなる。
The semiconductor integrated circuit is being miniaturized according to the semiconductor technology roadmap, and the technology node is going from the current 130nm to 90nm, and it is scheduled to move to 65nm process in several years. In semiconductor devices, the entire structure is miniaturized according to Moore's law (so-called scaling law), and it is necessary to further reduce the thickness of the gate insulating film. It is an urgent issue to form an ultra-thin gate insulating film with high insulating properties with high reliability.
However, as is well known, the thermally oxidized SiO 2 film has a sub-oxide [Si x O y , except x = 1, y = 2 except for the oxygen-deficient bonding state at the Si-SiO 2 interface. A layer is formed. Typically, a thermal oxide film has a sub-oxide layer having a thickness of 1 to 1.5 nm, which causes deterioration of the insulating characteristics of the silicon oxide film. The insulating limit is dependent on the thickness of the Si x O y layer, the thickness of the Si x O y layer is the key factor that determines the effective thickness of the SiO 2 gate insulating film.

SixOy層の膜厚を減少させる試みは、高速熱酸化法、プラズマ、オゾンおよび光による方法でも行われている。しかしながら、高速熱酸化法、プラズマ法およびオゾン法によるSiO膜の成長は、シリコン基板表面にダメージを与え、基板−シリコン酸化膜界面に欠陥を発生させる。一方、酸素に紫外線を照射して酸素活性種を発生させてシリコンを酸化させる光酸化法は基板表面にダメージを与えることはないが、光酸化法は成膜速度が著しく遅い為、従来は光酸化法に係る研究・開発は成長速度の向上を目指して行われた(例えば非特許文献I、特許文献1参照)。また、従来の光酸化法により形成したシリコン膜の絶縁特性については5nm以上の酸化膜厚で、熱酸化法と同程度であった。
Applied Surface Science 168 (2000) pp.288-291 特開2003-224117号公報
Attempts to reduce the thickness of the Si x O y layer have also been made by a rapid thermal oxidation method, a method using plasma, ozone and light. However, the growth of the SiO 2 film by the rapid thermal oxidation method, the plasma method, and the ozone method damages the surface of the silicon substrate and causes defects at the substrate-silicon oxide film interface. On the other hand, the photo-oxidation method, in which oxygen is irradiated with ultraviolet rays to generate oxygen active species to oxidize silicon, does not damage the substrate surface. Research and development related to the oxidation method has been conducted with the aim of improving the growth rate (see, for example, Non-Patent Document I and Patent Document 1). In addition, the insulating properties of the silicon film formed by the conventional photo-oxidation method were the same as those of the thermal oxidation method with an oxide film thickness of 5 nm or more.
Applied Surface Science 168 (2000) pp.288-291 JP 2003-224117 A

本発明者は、半導体集積回路の微細化の趨勢に応じたゲート絶縁膜の薄膜化の要請に応えることのできる、耐圧の高い、サブオキサイド層の薄い(理想的には存在しない)シリコン酸化膜の研究・開発に鋭意努めてきたが、その過程で、従来の成長速度を向上させようとする光酸化法のアプローチでは、上記の要請に応えうる、信頼性の高いシリコン酸化膜を形成することができないことを見出した。
本願発明は、この点に鑑みてなされたものであって、その目的は、第1に、超薄化されても高い絶縁耐圧を示すシリコン酸化膜を提供できるようにすることであり、第2に、シリコン基板にダメージを与えることなく高耐圧のシリコン酸化膜を形成しうるようにすることである。
The present inventor has developed a silicon oxide film having a high withstand voltage and a thin suboxide layer (ideally not present) that can meet the demand for thinning the gate insulating film in accordance with the trend of miniaturization of semiconductor integrated circuits. In the process, the conventional photo-oxidation approach that aims to increase the growth rate is to form a highly reliable silicon oxide film that can meet the above requirements. I found that I can not.
The present invention has been made in view of this point, and an object of the present invention is to firstly provide a silicon oxide film that exhibits a high withstand voltage even if it is ultra-thin. In addition, a high breakdown voltage silicon oxide film can be formed without damaging the silicon substrate.

上記の目的を達成するため、本発明によれば、シリコン基板上に形成された密度が2.25g/cm以上である高密度シリコン酸化膜、が提供される。 In order to achieve the above object, according to the present invention, a high-density silicon oxide film having a density of 2.25 g / cm 3 or more formed on a silicon substrate is provided.

また、上記の目的を達成するため、本発明によれば、酸素を含む気体中において、最大強度を示す波長が172nm未満である紫外線を照射しつつ100〜500℃に加熱してシリコン基板上にシリコン酸化膜を形成する高密度シリコン酸化膜の製造方法、が提供される。
例えば公称126nmといわれるエキシマランプは、126nm以外にも可視領域から赤外領域にかけて多数の発光シグナルが存在する。上記の「最大強度を示す波長が172nm未満である紫外線」とは、最大強度を示さない波長の光であればどのような波長の光を含んでいてもよいということである。
Further, in order to achieve the above object, according to the present invention, in a gas containing oxygen, heating to 100 to 500 ° C. while irradiating ultraviolet rays having a wavelength of maximum intensity of less than 172 nm on the silicon substrate. A high-density silicon oxide film manufacturing method for forming a silicon oxide film is provided.
For example, an excimer lamp having a nominal value of 126 nm has a large number of emission signals other than 126 nm from the visible region to the infrared region. The above-mentioned “ultraviolet light having a wavelength showing the maximum intensity of less than 172 nm” means that any light having a wavelength that does not show the maximum intensity may be included.

また、上記の目的を達成するため、本発明によれば、酸素を含む気体中において、紫外線を照射しつつ100〜500℃に加熱してシリコン基板上に平均5nm/h以下の成長速度でシリコン酸化膜を形成する高密度シリコン酸化膜の製造方法、が提供される。   Further, in order to achieve the above object, according to the present invention, silicon is heated at a temperature of 100 to 500 ° C. while irradiating ultraviolet rays in an oxygen-containing gas at an average growth rate of 5 nm / h or less on a silicon substrate. A high-density silicon oxide film manufacturing method for forming an oxide film is provided.

また、上記の目的を達成するため、本発明によれば、シリコン基板上に形成された密度が2.25g/cm以上である高密度シリコン酸化膜を有する半導体デバイス、が提供される。
そして、好ましくは、シリコン基板と前記高密度シリコン酸化膜との間に介在するサブオキサイド層(SixOy層、但しx=1,y=2以外)の膜厚が0.1nm以下になされる。
In order to achieve the above object, according to the present invention, there is provided a semiconductor device having a high-density silicon oxide film formed on a silicon substrate and having a density of 2.25 g / cm 3 or more.
Preferably, the thickness of the suboxide layer (Si x O y layer, except for x = 1 and y = 2) interposed between the silicon substrate and the high-density silicon oxide film is 0.1 nm or less. .

熱酸化法や従来の光酸化法により形成されたシリコン酸化膜では、SiO、SiO、SiOを含むサブオキサイド層が数nmの厚さに形成され、またSiOの組成と考えられるシリコン酸化膜も密度が低く(ウエット酸化で2.20g/cm、ドライ酸化で2.24g/cm程度)なっている。このようなシリコン酸化膜では、リーク電流が大きくまた耐圧も低い。シリコン酸化膜は、Si-Oボンドが環状に接続した複数種の環体によって形成されると考えられるが、低密度の環体、換言すると大きなスペースを占める環体が大量に含まれていることにより、従来のシリコン酸化膜では高密度化ができなかったものと推測される。一方、本願発明に係るシリコン酸化膜は、2.25g/cm以上、より好ましくは2.30g/cm以上に高密度化されており、より小さな環体の詰め込まれたシリコン酸化膜と推定される。また、界面に形成されるサブオキサイド層の膜厚も数原子層以下に薄膜化されている。このシリコン酸化膜によれば、高耐圧、低リーク電流特性を実現することができ、このシリコン酸化膜を用いたデバイスでは高品質特性を期待することができる。 The silicon oxide film formed by a thermal oxidation method or the conventional optical oxidation, Si 2 O, SiO, suboxide layer containing Si 2 O 3 is formed to a thickness of a few nm, also considered the composition of SiO 2 silicon oxide film is also low density (2.20 g / cm 3 by wet oxidation, 2.24 g / cm 3 order by dry oxidation), which is has. Such a silicon oxide film has a large leakage current and a low breakdown voltage. A silicon oxide film is thought to be formed by multiple types of rings in which Si-O bonds are connected in a ring, but it contains a large amount of low-density rings, in other words, rings that occupy a large space. Therefore, it is presumed that the conventional silicon oxide film could not be densified. On the other hand, the silicon oxide film according to the present invention, 2.25 g / cm 3 or more, more preferably are densified to 2.30 g / cm 3 or more, it is estimated that more silicon oxide film stuffed a small annulus . Also, the thickness of the suboxide layer formed at the interface is reduced to several atomic layers or less. According to this silicon oxide film, high breakdown voltage and low leakage current characteristics can be realized, and a high quality characteristic can be expected in a device using this silicon oxide film.

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本発明の実施の形態を示す断面図である。図1に示すように、シリコン基板1上には、SixOy(但し、x=1, y=2以外)の組成を有する極薄のサブオキサイド層2を介して高密度シリコン酸化膜3が形成されている。シリコン基板の導電型はn型、p型のいずれであってもよく、また真性であってもよい。また面方位も特に限定されない。本発明に係る高密度シリコン酸化膜3は、2.25g/cm以上の密度を有する。一層好ましくは2.26g/cm以上の密度を有し、さらに好ましくは2.30g/cm以上の密度を有する。
高密度シリコン酸化膜3は、緻密なSiOの組成を有する膜であり、熱酸化膜のような密度の低いシリコン酸化膜には期待し得ない高い耐圧と低いリーク特性とを有する。また、緻密なシリコン酸化膜には高い酸素原子拡散阻止能力を有することが期待できる。
高密度シリコン酸化膜3の下層に形成されるサブオキサイド層2は、シリコン酸化膜3を光酸化により形成する際に不可避的に形成される膜であるが、本発明による高密度シリコン酸化膜の製造方法によれば、極めて薄く形成することができ、理想的には1原子層以下、高々数分子原子層以下、すなわち膜厚0.1nm以下の膜である。
Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, a high-density silicon oxide film 3 is formed on a silicon substrate 1 through an ultrathin suboxide layer 2 having a composition of Si x O y (except x = 1, y = 2). Is formed. The conductivity type of the silicon substrate may be either n-type or p-type, or may be intrinsic. Also, the plane orientation is not particularly limited. The high-density silicon oxide film 3 according to the present invention has a density of 2.25 g / cm 3 or more. More preferably, it has a density of 2.26 g / cm 3 or more, and more preferably 2.30 g / cm 3 or more.
The high-density silicon oxide film 3 is a film having a dense SiO 2 composition and has a high breakdown voltage and low leakage characteristics that cannot be expected from a low-density silicon oxide film such as a thermal oxide film. Further, it can be expected that a dense silicon oxide film has a high oxygen atom diffusion blocking ability.
The suboxide layer 2 formed below the high-density silicon oxide film 3 is a film that is inevitably formed when the silicon oxide film 3 is formed by photo-oxidation. According to the manufacturing method, the film can be formed extremely thin, and ideally, it is a film having a thickness of not more than one atomic layer, not more than several molecular atomic layers, that is, a film thickness of 0.1 nm or less.

本発明に係る高密度シリコン酸化膜は、酸素を含む気体中において、紫外線を照射しつつ100〜500℃に加熱してシリコン基板上に平均5nm/h以下の成長速度で形成される。より好ましくは平均2nm/h以下の成長速度であり、一層好ましくは平均1.2nm/h以下の成長速度である。緩慢な速度の酸化により高い密度のシリコン酸化膜の形成が可能になりまたサブオキサイド層の成長が抑制される。
また、好ましくは、本発明に係る高密度シリコン酸化膜は、酸素を含む気体中において、波長が172nm未満(例えば126nm)の紫外線を照射しつつ100〜500℃に加熱して光酸化を行うことによって形成される。短波長の紫外線を用いて光酸化を行うことにより、2.30g/cm以上のより高密度のシリコン酸化膜の形成が可能となる。
本発明の光酸化は例えば1気圧(1atm)の酸素雰囲気中において行われる。しかし、1気圧でなくても1Pa〜1.5MPaの酸素雰囲気下で酸化を行うことにより同様の効果を得ることができる。また、純酸素雰囲気中で光酸化を行う方法に代えてアルゴン等の不活性ガスが添加されたガス雰囲気中において酸化を行うことができる。この場合にも酸素の分圧は1Pa〜1.5MPaであることが望ましい。
The high-density silicon oxide film according to the present invention is formed on a silicon substrate at an average growth rate of 5 nm / h or less by heating to 100 to 500 ° C. while irradiating ultraviolet rays in a gas containing oxygen. More preferably, the growth rate is 2 nm / h or less on average, and still more preferably the growth rate is 1.2 nm / h or less on average. Oxidation at a slow rate enables formation of a high-density silicon oxide film and suppresses the growth of the suboxide layer.
Preferably, the high-density silicon oxide film according to the present invention is photooxidized by heating to 100 to 500 ° C. while irradiating ultraviolet rays having a wavelength of less than 172 nm (for example, 126 nm) in a gas containing oxygen. Formed by. By performing photo-oxidation using ultraviolet rays having a short wavelength, it is possible to form a silicon oxide film having a higher density of 2.30 g / cm 3 or more.
The photo-oxidation of the present invention is performed in an oxygen atmosphere of 1 atm (1 atm), for example. However, the same effect can be obtained by performing oxidation in an oxygen atmosphere of 1 Pa to 1.5 MPa even if the pressure is not 1 atm. Moreover, it can replace with the method of performing photo-oxidation in a pure oxygen atmosphere, and can oxidize in the gas atmosphere to which inert gas, such as argon, was added. Also in this case, the partial pressure of oxygen is desirably 1 Pa to 1.5 MPa.

図2は、本発明に係る高密度シリコン酸化膜を採用したデバイスの一例であるMOSトランジスタの断面図である。シリコン基板上には高密度シリコン酸化膜3を介してゲート電極4が形成されており、シリコン基板1の表面領域のゲート電極4の両サイドにはソース・ドレイン領域5が形成されている。ゲート絶縁膜に高密度シリコン酸化膜を用いたMOSトランジスタによれば、ゲート絶縁耐圧の高い、リーク電流の低い高品質のトランジスタを提供することができる。   FIG. 2 is a cross-sectional view of a MOS transistor which is an example of a device employing a high-density silicon oxide film according to the present invention. A gate electrode 4 is formed on the silicon substrate via a high-density silicon oxide film 3, and source / drain regions 5 are formed on both sides of the gate electrode 4 in the surface region of the silicon substrate 1. According to the MOS transistor using the high-density silicon oxide film as the gate insulating film, it is possible to provide a high-quality transistor having a high gate withstand voltage and a low leakage current.

図3は、本発明に係る高密度シリコン酸化膜を採用したデバイスの他の例を示す断面図である。本実施の形態のMOSトランジスタは、ゲート絶縁膜に高誘電率絶縁膜(high-k膜)を用いたものある。図3に示すように、シリコン基板1上に形成された高密度シリコン酸化膜3上には高誘電率膜6が形成されており、その上にはゲート電極4が形成されている。
high-kゲート絶縁膜は、シリコン酸化膜上にスパッタ法等にて高誘電率絶縁膜を堆積した後、膜質改善のための酸素雰囲気中での熱処理を施して形成される。この熱処理の際に酸素は結合エネルギーの小さい高誘電率絶縁膜材料よりシリコンと結合しやすく、熱処理により供給された酸素はシリコン基板に拡散し、絶縁膜層を厚くしてしまう。このとき作られたシリコン酸化膜はサブオキサイドを含む層であると考えられる。また、高誘電率絶縁膜もシリコン基板との間にSiO2層を含まない場合、移動度を下げる事が知られてきている。高密度シリコン酸化膜は硬度も高い為、スパッタ法等による高エネルギー粒子による成膜法でも、基板へのダメージを減少させる効果が期待できる。また、本発明に至った方法では高品質の酸化膜を形成する事が可能な為、酸素濃度の低い高誘電率絶縁膜への酸素供給も光酸化法により低温で酸素を供給することが可能であり、この手法を膜質改善のためのプロセスに採用することにより高誘電率絶縁膜によるゲート絶縁膜も低温プロセスにより製作することが可能となる。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing another example of a device employing the high-density silicon oxide film according to the present invention. The MOS transistor of this embodiment uses a high dielectric constant insulating film (high-k film) as a gate insulating film. As shown in FIG. 3, a high dielectric constant film 6 is formed on a high-density silicon oxide film 3 formed on a silicon substrate 1, and a gate electrode 4 is formed thereon.
The high-k gate insulating film is formed by depositing a high dielectric constant insulating film on the silicon oxide film by sputtering or the like and then performing a heat treatment in an oxygen atmosphere for improving the film quality. In this heat treatment, oxygen is more easily bonded to silicon than a high dielectric constant insulating film material having a low binding energy, and the oxygen supplied by the heat treatment diffuses into the silicon substrate, thereby increasing the thickness of the insulating film layer. The silicon oxide film formed at this time is considered to be a layer containing suboxide. Further, it has been known that the high dielectric constant insulating film also reduces the mobility when the SiO 2 layer is not included between the high dielectric constant insulating film and the silicon substrate. Since the high-density silicon oxide film has high hardness, an effect of reducing damage to the substrate can be expected even by a film forming method using high energy particles such as a sputtering method. In addition, since the method leading to the present invention can form a high quality oxide film, oxygen can be supplied to the high dielectric constant insulating film having a low oxygen concentration at a low temperature by the photo-oxidation method. By adopting this method in a process for improving film quality, a gate insulating film made of a high dielectric constant insulating film can be manufactured by a low temperature process.

本発明の実施例においては、デスクリートなエネルギーの光子を放射することのできるArエキシマランプ(波長:λ=126nm)、Xeエキシマランプ(λ=172nm)、KrClエキシマランプ(λ=222nm)を光源として使用した。4インチ(10.16cm)、ボロンドープ、比抵抗14-22Ωcmのp型Si(001)ウエハを準備し、化学的処理を行って表面を清浄化した。成長チャンバへの搬入に先立って、自然酸化膜を希釈フッ酸により除去した。成長チャンバへ搬入し、成長チャンバを0.1Paまで排気した後、純酸素ガスを供給しガス流量制御を行って成長チャンバ内を1気圧に保持した。シリコン基板は、500℃以下の成長温度を維持するように制御された。 In the embodiment of the present invention, Ar 2 excimer lamp (wavelength: λ = 126 nm), Xe 2 excimer lamp (λ = 172 nm), KrCl excimer lamp (λ = 222 nm) capable of emitting photons of discrete energy Was used as the light source. A 4-inch (10.16 cm), boron-doped, p-type Si (001) wafer with a specific resistance of 14-22 Ωcm was prepared, and the surface was cleaned by chemical treatment. Prior to loading into the growth chamber, the natural oxide film was removed with diluted hydrofluoric acid. After carrying into the growth chamber and exhausting the growth chamber to 0.1 Pa, pure oxygen gas was supplied and the gas flow rate was controlled to maintain the inside of the growth chamber at 1 atm. The silicon substrate was controlled to maintain a growth temperature below 500 ° C.

次のように光酸化を行った。
1.照射紫外線:λ=126nm、基板温度:390℃、成長時間:7.5時間。
2.照射紫外線:λ=172nm、基板温度:430℃、成長時間:5時間。
3.照射紫外線:λ=222nm、基板温度:390℃、成長時間:5時間。
製造された超薄SiO膜は、X線光電子分光法(XPS)、透過型電子顕微鏡(TEM)、X線反射および偏光解析法(エリプソメトリ)により解析された。成長速度は、成長条件から校正したx線反射率から換算した。TEM技術は界面のシャープネスの評価のために、XPSは平均シリコン価を用いての遷移層(密度が変化する領域)厚の算定のために用いた。
Photooxidation was performed as follows.
1. Irradiation ultraviolet ray: λ = 126 nm, substrate temperature: 390 ° C., growth time: 7.5 hours.
2. Irradiation ultraviolet ray: λ = 172 nm, substrate temperature: 430 ° C., growth time: 5 hours.
3. Irradiation ultraviolet ray: λ = 222 nm, substrate temperature: 390 ° C., growth time: 5 hours.
The manufactured ultrathin SiO 2 film was analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), transmission electron microscope (TEM), X-ray reflection and ellipsometry (ellipsometry). The growth rate was converted from the x-ray reflectivity calibrated from the growth conditions. The TEM technique was used to evaluate the sharpness of the interface, and XPS was used to calculate the thickness of the transition layer (area where the density changes) using the average silicon value.

図4は、各波長を使用して成長させた試料についてのX線反射測定から得られたSiO密度の深さプロファイルを示す。広いレンジの角度および強度において行われたすれすれ入射X線反射光測定(grazing incidence x-ray reflectometry:GIXR)は、密度と粗さに関する情報を含む。SiO層が表面の垂直方向に沿って傾斜密度を持つと仮定すると、Parratt法に基づくX線反射に適合して平方でパラメータ化された密度分布が得られる。したがって、ここでは、光酸化SiO密度に関する彼らによって開発された技術と決定された深さプロファイルとを用いた。
λ=172nmと222nmの光酸化SiO膜の平均密度は2.27g/cmで、λ=126nmでは平均密度は2.32g/cmである。図1は、全ての光酸化SiO膜が従来の熱酸化膜のそれ(2.20-2.24g/cm)よりも高い平均密度を呈することを示す。λ=126nmの光酸化膜は特に高い値を持つ。各曲線の右側の平坦な部分はシリコン基板(密度=2.33g/cm)であることを示す。
密度変化は、λ=172nmと222nmの光酸化SiO膜の界面において傾斜変化として観測される。しかし、λ=126nmによる光酸化膜では、Si(2.33g/cm)と比較して密度差が少ないため傾斜変化は殆ど観測されない。
FIG. 4 shows the SiO 2 density depth profile obtained from X-ray reflection measurements for samples grown using each wavelength. Grazing incidence x-ray reflectometry (GIXR) performed over a wide range of angles and intensities contains information about density and roughness. Assuming the SiO 2 layer has a gradient density along the vertical direction of the surface, a square parameterized density distribution is obtained that fits the X-ray reflection based on the Parratt method. Therefore, the technology developed by them on the photo-oxidized SiO 2 density and the determined depth profile were used here.
The average density of the photo-oxidized SiO 2 films at λ = 172 nm and 222 nm is 2.27 g / cm 3 , and at λ = 126 nm, the average density is 2.32 g / cm 3 . FIG. 1 shows that all the photo-oxidized SiO 2 films exhibit a higher average density than that of the conventional thermal oxide film (2.20-2.24 g / cm 3 ). A photo-oxide film with λ = 126 nm has a particularly high value. The flat part on the right side of each curve indicates a silicon substrate (density = 2.33 g / cm 3 ).
The density change is observed as an inclination change at the interface between the photooxidized SiO 2 films of λ = 172 nm and 222 nm. However, in the photo-oxide film with λ = 126 nm, since the density difference is small compared to Si (2.33 g / cm 3 ), almost no change in inclination is observed.

密度プロファイルは、λ=126nmと172nmの間に顕著な波長依存性を示す。λ=172nmと222nmとの光酸化SiO膜間では平均密度の差異は僅かである。本実験では使用した波長が離散的であったためシリコン酸化に対して最適な波長を決定することが出来なかったが、少なくとも、より高い密度の光酸化SiO膜を得るにはλ=126nmなどの172nm未満の紫外線を用いることが望ましいことが分かる。λ=172nmと222nmとの光酸化SiO膜間では遷移層における密度変化はかなり異なる。λ=222nmで光酸化されたSiOにおける遷移層の密度変化はλ=172nmのそれに比較して小さい。
要約すると、GIXR測定は、より高いエネルギーのVUV(真空紫外線)フォトンの形成した酸化膜はより高い密度とよりシャープな界面を持つことを示す。それ故、高密度化と界面形成のメカニズムは共にVUVフォトン照射により形成される酸素原子の励起状態と関係していると考えられる。本発明による光酸化SiOは、シリコンと同じ密度を有するクリストバライト(crystobalite)のような、高密度の多形態結晶構造をもつものと推定される。アモルファスSiOにおいては、Si-O結合構造は複数種の原子数の異なる環状構造を持つ。すなわち、原子の数の異なる環体により構成される。高密度SiO膜ではより小さな環体が集合したものと推定される。
The density profile shows a significant wavelength dependence between λ = 126 nm and 172 nm. The difference in average density between the photo-oxidized SiO 2 films of λ = 172 nm and 222 nm is slight. In this experiment, the wavelength used was discrete, so it was not possible to determine the optimum wavelength for silicon oxidation. However, at least to obtain a higher-density photo-oxidized SiO 2 film, such as λ = 126 nm It can be seen that it is desirable to use ultraviolet light of less than 172 nm. The density change in the transition layer is considerably different between the photo-oxidized SiO 2 films of λ = 172 nm and 222 nm. The change in density of the transition layer in SiO 2 photooxidized at λ = 222 nm is small compared to that at λ = 172 nm.
In summary, GIXR measurements show that higher energy VUV (vacuum ultraviolet) photon-formed oxides have higher densities and sharper interfaces. Therefore, both the densification and interface formation mechanisms are thought to be related to the excited state of oxygen atoms formed by VUV photon irradiation. The photo-oxidized SiO 2 according to the present invention is presumed to have a high-density polymorphic crystal structure like cristobalite having the same density as silicon. In amorphous SiO 2 , the Si—O bond structure has a plurality of types of cyclic structures having different numbers of atoms. That is, it is composed of rings having different numbers of atoms. In the high-density SiO 2 film, it is presumed that smaller rings are assembled.

図5は、それぞれλ=126nmと172nmにおいて光酸化されたSiO膜の膜厚と光照射時間、特に1、3、5時間との関係を示す。基板温度は460℃(λ=126nm)と470℃(λ=172nm)である。SiO膜の膜厚は、照射時間が長期化すると飽和を示す。また、基板温度にも依存するが、フォトンエネルギーが低いほど成長レートが高くなる。光酸化の場合、拡散速度が遅くなることで、サブオキサイドを作りにくくしていると考えられる。172nmの光酸化より126nmの光酸化の方が成膜速度が遅く、界面での密度変化が少ないのは拡散が遅いためであると推定される。 FIG. 5 shows the relationship between the film thickness of the SiO 2 film photooxidized at λ = 126 nm and 172 nm, and the light irradiation time, particularly 1, 3, and 5 hours, respectively. The substrate temperatures are 460 ° C. (λ = 126 nm) and 470 ° C. (λ = 172 nm). The film thickness of the SiO 2 film shows saturation when the irradiation time is prolonged. Also, depending on the substrate temperature, the lower the photon energy, the higher the growth rate. In the case of photooxidation, it is considered that the diffusion rate is slow, making it difficult to produce suboxides. It is presumed that 126 nm photo-oxidation is slower in film formation than 172 nm photo-oxidation, and that the density change at the interface is small because diffusion is slow.

図6は、Si(001)基板上にλ=126nmで光酸化されたSiO膜試料のTEM断面像である。形成されたSiO膜は、(電流密度-電圧特性)測定の電極として用いられたアルミニウム蒸着膜により覆われている。試料はイオンミリング法により作製された。TEM像は、200kVの電子加速電圧を持つH-9000NAR〔(株)日立製作所製〕により得られた。高解像測定のために、<110>に沿う電子ビームが用いられた。膜厚は、3.5-3.7nmである。これは、<111>に沿う格子間隔を用いた校正の後得られたものである。界面の粗さはシリコンの当初の表面粗さと同じである。このことから、光酸化SiOの成長では表面を荒らさないと結論づけることができる。 FIG. 6 is a TEM cross-sectional image of a SiO 2 film sample photooxidized at λ = 126 nm on a Si (001) substrate. The formed SiO 2 film is covered with an aluminum vapor deposition film used as an electrode for (current density-voltage characteristic) measurement. The sample was produced by the ion milling method. The TEM image was obtained by H-9000NAR (manufactured by Hitachi, Ltd.) having an electron acceleration voltage of 200 kV. An electron beam along <110> was used for high resolution measurements. The film thickness is 3.5-3.7 nm. This was obtained after calibration using a lattice spacing along <111>. The roughness of the interface is the same as the original surface roughness of silicon. From this, it can be concluded that the growth of the photo-oxidized SiO 2 does not roughen the surface.

SiOにおいて、シリコン価はSi4+でありシリコン原子は酸素原子と四面体結合している。一方、サブオキサイドにおいては、酸素配位の欠落に依存してSiはSi3+、Si2+ 、Si1+などのより低い価数である。バルクシリコンは、中性のSi0で一定である。光電子分光の化学シフトを利用して、プローブ領域内の平均化学組成を評価することができる。XPSデータは、45°の取り出し角にて得られる。X線源はモノクロ化されたAlΚα線(1486.6eV)、エネルギー解像度は0.52eVである。ビーム径は100μmφ、探査深さは取り出し角45°の場合で約5μmである。背景は、非弾性散乱によるエネルギーロスを考慮して決定された。XPSシステムはアルバック・ファイ社(ULVAC-PHI Inc.)製のPHI Quantum 2000であった。
図7は、XPSのSi2p1/2,3/2信号プロファイルを示す。図7において、下側に全体プロファイルを、上側にその拡大図を示す。バルクSi(Si0)と二酸化シリコン(Si4+)信号との間に、少量のサブオキサイドの寄与(Si1+とSi2+)が観測される。信号はガウス関数に適合されており、最大誤差5%以下と見積もられた。図7より、SiO膜内のサブオキサイドが極めて少ないこと乃至界面のサブオキサイド層の膜厚が極めて薄いことが分かる。
曲線の結果に適合して表1に要約される。表1には、各化学状態のSi 2p信号の化学シフト、FWHM(full width half maximum value:半値全幅)および信号強度が示される。結果は、XPS結果から得られる光酸化SiO膜内のサブオキサイド厚の示唆が顕著に小さいことを示す。
In SiO 2 , the silicon value is Si 4+ and silicon atoms are tetrahedrally bonded to oxygen atoms. On the other hand, in suboxides , Si has a lower valence such as Si 3+ , Si 2+ , Si 1+ depending on the lack of oxygen coordination. Bulk silicon is constant Si 0 neutral. The chemical shift of photoelectron spectroscopy can be used to evaluate the average chemical composition within the probe region. XPS data is obtained at a 45 ° extraction angle. The X-ray source is a monochrome AlΚα ray (1486.6 eV), and the energy resolution is 0.52 eV. The beam diameter is 100 μmφ and the exploration depth is about 5 μm when the extraction angle is 45 °. The background was determined in consideration of energy loss due to inelastic scattering. The XPS system was a PHI Quantum 2000 manufactured by ULVAC-PHI Inc.
FIG. 7 shows the XPS Si2p 1/2 , 3/2 signal profile. In FIG. 7, the entire profile is shown on the lower side, and the enlarged view is shown on the upper side. A small amount of suboxide contribution (Si 1+ and Si 2+ ) is observed between the bulk Si (Si 0 ) and silicon dioxide (Si 4+ ) signals. The signal was fitted to a Gaussian function and the maximum error was estimated to be less than 5%. From FIG. 7, it can be seen that the suboxide in the SiO 2 film is very small or the suboxide layer at the interface is very thin.
Fit to the curve results are summarized in Table 1. Table 1 shows the chemical shift, FWHM (full width half maximum value) and signal intensity of the Si 2p signal in each chemical state. The results show that the suggestion of suboxide thickness in the photo-oxidized SiO 2 film obtained from the XPS results is significantly smaller.


SiO膜厚(dSiO2)は、XPSデータのSi2p信号強度から数1のように計算される。

The SiO 2 film thickness (d SiO2 ) is calculated as in Equation 1 from the Si2p signal intensity of XPS data.


ここで、lSiO2は、SiO2膜中における光電子の平均フリーパス、αは光電子の放出角度である。従来のSiO2膜のlSiO2は、AlΚαに対し2.6×10−7と決定される。ISi 4+とISi 0は、SiO2とバルクシリコンの光電子強度の積分値である。実験的な強度比I/Iは、AlΚαに対し0.82と決定される。サブ酸化状態におけるシリコン原子の数は下記の数2で与えられる。

Here, l SiO2 is the average free path of photoelectrons in the SiO 2 film, and α is the photoelectron emission angle. L SiO2 of the conventional SiO 2 film is determined to be 2.6 × 10 −7 with respect to AlΚα. I Si 4+ and I Si 0 are integral values of the photoelectron intensities of SiO 2 and bulk silicon. The experimental intensity ratio I / I 0 is determined to be 0.82 for AlΚα. The number of silicon atoms in the sub-oxidation state is given by the following formula 2.


ここで、nSi 0は、シリコンの原子密度で、5.0×1022cm-3、lSi 0は、Siにおける光電子の平均フリーパスで、AlΚαに対し1.6×10−7cmと決定される。σSi x+とσSi 0は光電離断面(photoionization cross section)であり、XPSにおける高フォトンエネルギー状態であるSixOyとSiと推定される。データからの計算結果は、dSiO2=3.0nm、ΣNSi x+=4.0×1014atoms/cm2である。

Here, n Si 0 is the atomic density of silicon, 5.0 × 10 22 cm −3 , and l Si 0 is the average free path of photoelectrons in Si, and is determined to be 1.6 × 10 −7 cm with respect to AlΚα. σ Si x + and σ Si 0 are photoionization cross sections and are estimated to be Si x O y and Si, which are high photon energy states in XPS. The calculation results from the data are d SiO2 = 3.0 nm and ΣN Si x + = 4.0 × 10 14 atoms / cm 2 .

図8は、λ=126nmと172nmの光酸化膜のJ-V(電流密度-電圧)特性曲線を示す。すなわち、リーク電流特性を示す。図8には、参考のために2.0nm、3.0nm、4.0nmの膜厚を有する熱酸化膜のデータも同時に示されている。これら熱酸化膜に係るデータはMicroelectronics Journal vol.34, p.363 (2003)に基づく。
試料は、光酸化SiO2膜上とシリコン基板下面にAl膜を有するMIS構造に形成され、2端子法により測定された。λ=126nmと172nmの光酸化により形成されたSiO2膜は、dSiO2=3.5と3.0nmの膜厚と、15.5Vと5.5Vのブレークダウン電圧を持つ。ブレークダウン電圧はλ=126nmの光酸化膜に対してより高いことを注目されたい。
FIG. 8 shows JV (current density-voltage) characteristic curves of the photooxide films of λ = 126 nm and 172 nm. That is, the leakage current characteristic is shown. In FIG. 8, data of thermal oxide films having film thicknesses of 2.0 nm, 3.0 nm, and 4.0 nm are also shown for reference. Data on these thermal oxide films are based on Microelectronics Journal vol.34, p.363 (2003).
The sample was formed in a MIS structure having an Al film on the photo-oxidized SiO 2 film and the lower surface of the silicon substrate, and measured by the two-terminal method. The SiO 2 film formed by photo-oxidation at λ = 126 nm and 172 nm has d SiO2 = 3.5 and 3.0 nm film thickness, and breakdown voltages of 15.5V and 5.5V. Note that the breakdown voltage is higher for a photo-oxide film of λ = 126 nm.

図9は、SiO2膜の密度と絶縁破壊電界強度との関係を示すグラフである。λ=126nmと172nmの光酸化SiO2膜の見積もられた電界強度は45MV/cmと18MV/cmである。λ=126nmと172nmとの電界強度には大きな差がある。したがって、絶縁破壊電界の高い光酸化SiO2膜を形成するには、λ=172nm未満のVUVを用いることが望ましい。λ=126nmと172nmの光酸化膜のリーク電流は、0からブレークダウン電圧までで10−4−10−10A/cmである。この結果は、報告された従前の酸化物の超薄SiO2膜と比較して光酸化・高密度超薄SiO2膜の優れた絶縁特性を明らかにしている。 FIG. 9 is a graph showing the relationship between the density of the SiO 2 film and the breakdown electric field strength. The estimated electric field strengths of the photo-oxidized SiO 2 films with λ = 126 nm and 172 nm are 45 MV / cm and 18 MV / cm. There is a large difference in electric field strength between λ = 126 nm and 172 nm. Accordingly, in order to form a photo-oxidized SiO 2 film having a high dielectric breakdown electric field, it is desirable to use VUV less than λ = 172 nm. The leakage current of the photo-oxide film at λ = 126 nm and 172 nm is 10 −4 −10 −10 A / cm 2 from 0 to the breakdown voltage. This result reveals the superior insulating properties of the photo-oxidized and high-density ultra-thin SiO 2 film compared to the reported ultra-thin SiO 2 film of the previous oxide.

本発明の実施の形態を説明するためのシリコン基板の断面図。Sectional drawing of the silicon substrate for demonstrating embodiment of this invention. 本発明の実施の形態を説明するためのMOSトランジスタの断面図(その1)。Sectional drawing of the MOS transistor for describing embodiment of this invention (the 1). 本発明の実施の形態を説明するためのMOSトランジスタの断面図(その2)。Sectional drawing of the MOS transistor for describing embodiment of this invention (the 2). 本発明の実施例により形成されたシリコン酸化膜の密度プロファイルを示すグラフ。The graph which shows the density profile of the silicon oxide film formed by the Example of this invention. 本発明の実施例により形成されたシリコン酸化膜の膜厚と酸化時間との関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the film thickness of the silicon oxide film formed by the Example of this invention, and oxidation time. 本発明の実施例により形成されたシリコン酸化膜の断面を示す透過型電子顕微鏡写真。The transmission electron micrograph which shows the cross section of the silicon oxide film formed by the Example of this invention. 本発明の実施例により形成されたシリコン酸化膜のX線光電子分光(XPS)により得られた結合エネルギープロファイル。The binding energy profile obtained by the X ray photoelectron spectroscopy (XPS) of the silicon oxide film formed by the Example of this invention. 本発明の実施例により形成されたシリコン酸化膜のリーク特性を示すグラフ。3 is a graph showing leakage characteristics of a silicon oxide film formed according to an example of the present invention. 本発明の実施例により形成されたシリコン酸化膜の密度と電界強度との関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the density of the silicon oxide film formed by the Example of this invention, and electric field strength.

符号の説明Explanation of symbols

1 シリコン基板
2 サブオキサイド層
3 高密度シリコン酸化膜
4 ゲート電極
5 ソース・ドレイン領域
6 高誘電率膜

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Silicon substrate 2 Suboxide layer 3 High-density silicon oxide film 4 Gate electrode 5 Source / drain region 6 High dielectric constant film

Claims (12)

シリコン基板上に形成された密度が2.25g/cm以上である高密度シリコン酸化膜。 A high-density silicon oxide film having a density of 2.25 g / cm 3 or more formed on a silicon substrate. シリコン基板上に膜厚0.1nm以下のサブオキサイド層(SixOy層、但しx=1, y=2以外)を介して形成された密度が2.25g/cm以上である高密度シリコン酸化膜。 High-density silicon oxide with a density of 2.25 g / cm 3 or more formed on a silicon substrate via a suboxide layer (Si x O y layer, except x = 1, y = 2) with a thickness of 0.1 nm or less film. 膜厚が5nm以下であることを特徴とする請求項1または2に記載の高密度シリコン酸化膜。   The high-density silicon oxide film according to claim 1 or 2, wherein the film thickness is 5 nm or less. 酸素を含む気体中において、最大強度を示す波長が172nm未満である紫外線を照射しつつ100〜500℃に加熱してシリコン基板上にシリコン酸化膜を形成する高密度シリコン酸化膜の製造方法。   A method for producing a high-density silicon oxide film in which a silicon oxide film is formed on a silicon substrate by heating to 100 to 500 ° C. while irradiating an ultraviolet ray having a maximum intensity of less than 172 nm in a gas containing oxygen. 酸素を含む気体中において、最大強度を示す波長が126nmである紫外線を照射しつつ100〜500℃に加熱してシリコン基板上にシリコン酸化膜を形成する高密度シリコン酸化膜の製造方法。   A method for producing a high-density silicon oxide film in which a silicon oxide film is formed on a silicon substrate by heating to 100 to 500 ° C. while irradiating an ultraviolet ray having a maximum intensity of 126 nm in a gas containing oxygen. 酸素を含む気体中において、紫外線を照射しつつ100〜500℃に加熱してシリコン基板上に平均5nm/h以下の成長速度でシリコン酸化膜を形成する高密度シリコン酸化膜の製造方法。   A method for producing a high-density silicon oxide film in which a silicon oxide film is formed on a silicon substrate at an average growth rate of 5 nm / h or less by heating to 100 to 500 ° C. while irradiating ultraviolet rays in a gas containing oxygen. 1Pa〜1.5MPaの圧力下で酸化を行うことを特徴とする請求項4から6のいずれかに記載の高密度シリコン酸化膜の製造方法。   The method for producing a high-density silicon oxide film according to any one of claims 4 to 6, wherein oxidation is performed under a pressure of 1 Pa to 1.5 MPa. 酸素の分圧が1Pa〜1.5MPaの気体中で酸化を行うことを特徴とする請求項4から6のいずれかに記載の高密度シリコン酸化膜の製造方法。   The method for producing a high-density silicon oxide film according to any one of claims 4 to 6, wherein oxidation is performed in a gas having a partial pressure of oxygen of 1 Pa to 1.5 MPa. シリコン基板上に形成された密度が2.25g/cm以上である高密度シリコン酸化膜を有する半導体デバイス。 A semiconductor device having a high-density silicon oxide film formed on a silicon substrate and having a density of 2.25 g / cm 3 or more. シリコン基板と前記高密度シリコン酸化膜との間に介在するサブオキサイド層(SixOy層、但しx=1, y=2以外)の膜厚が0.1nm以下であることを特徴とする請求項9に記載の半導体デバイス。 The thickness of a suboxide layer (Si x O y layer, except x = 1 and y = 2) interposed between a silicon substrate and the high-density silicon oxide film is 0.1 nm or less. Item 10. The semiconductor device according to Item 9. 前記高密度シリコン酸化膜上に、誘電率が二酸化シリコンのそれより高い高誘電率膜が形成されていることを特徴とする請求項9または10に記載の半導体デバイス。   11. The semiconductor device according to claim 9, wherein a high dielectric constant film having a dielectric constant higher than that of silicon dioxide is formed on the high-density silicon oxide film. 前記高密度シリコン酸化膜が、MOS型電界効果トランジスタのゲート絶縁膜の少なくとも一部を構成していることを特徴とする請求項9から11のいずれかに記載の半導体デバイス。
The semiconductor device according to claim 9, wherein the high-density silicon oxide film constitutes at least a part of a gate insulating film of a MOS field effect transistor.
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