半導體的微細化逐年隊形變換，現在元件中包含的電晶體數量已高達數十億個。然而，爲了實施進一步的微細化，就需要控制伴隨着微細化而增多的氧化膜及電路缺陷。一旦出現缺陷，就會增加能量消耗，導致誤操作等。爲了精密地控制氧化反應，在硅基底層上製作出缺陷少的優質氧化膜，就需要理解原子級別膜厚上發生的氧化反應機制。
圖1:SiO2/Si界面處O2反應程序示意圖（提供：日本核能研究開發機構）
日本核能研究開發機構物質科學研究中心的津田泰孝博士研究員、吉越章隆研究主幹、東北大學的高桑雄二教授、小川修一助教、福井高等專門學校的山本幸男教授等人的研究團隊，透過利用SPring-8的高輝度輻射光進行即時光電子能譜觀察，明確了氧化硅膜的成長機制。津田研究員表示：「控制溫度條件、壓力、氧氣速度等參數時，如果不知道反應機構，就需要一個個地試錯尋找條件。這次明確機制後，就爲需要怎樣的工藝才能達到幾乎沒有缺陷的狀態樹立了指標。」該成果已刊登在Journal of Chemical Physics的線上版上。
硅基底層上的氧化膜，即SiO2的成長，是透過從氧化膜表面吸取O2並向内部擴散，在SiO2/Si界面上進行反應實施的。此前，業内普遍認爲在SiO2/Si界面處的O2反應程序，是Si-Si鍵和O2直接反應生成Si-O-Si鍵。但這樣的反應需求O2具有高動能。由於在O2氣體氧化程序中的O2分子的平均動能很低，因此上述解釋存在矛盾之處。
研究團隊注意到SiO2/Si界面處產生的缺陷。在SiO2/Si界面處，SiO2的生成會帶來體積膨脹，導致大應變。這種應變會引發界面處產生缺陷。研究團隊此前已經發現O2在這個缺陷上會發生反應，但在缺陷中是如何反應的卻不明確。
此次，研究團隊透過在缺陷中結合載流子（在半導體内部有助於導電的電子和電洞），使其成爲容易發生化學反應的狀態，預測其會與O2發生反應，並透過使用放射光的即時光電子能譜測定對預測進行了證實。此外，研究團隊還發現在易發生反應的缺陷中，O2以分子的形式吸附。其後，O2解離爲O原子，形成Si-O-Si鍵。這種分子吸附的反應途徑不需要能量，從而能夠自然地解釋實驗結果，不會出現以往那樣的矛盾。
由此，研究團隊提出了一種新的反應機構，即SiO2/Si界面處的O2反應透過缺陷的分子吸附進行，在該反應程序中Si襯底的載流子也參與其中。
該氧化模式有多種應用的可能性，例如，可以解釋此前未知的p型Si和n型Si的氧化速度不同的終極因數，也將有助於確立今後會發揮重要作用的CMOS設計及製造程序中不可或缺的基礎技術。另外，缺陷中O2發生反應，說明在消除缺陷的同時還可以成長SiO2。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
雜誌：Journal of Chemical Physics
論文：Roles of excess minority carrier recombination and chemisorbed O2species at SiO2/Si interfaces in dry oxidation:Comparison between p-Si（001）and n-Si（001）surfaces
DOI：doi.org/10.1063/5.0109558
