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次世代ULSI製造のための表面反応プロセス

コードNO0185
発 刊1994年6月
編集委員
菅原 活郎日本大学 工学部情報工学科 教授
前田 和夫(株)半導体プロセス研究所 代表取締役
価 格本体38,000円+税
体 裁A4判上製 308頁
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次世代ULSI製造のための表面反応プロセス ディープサブミクロン・プロセスで必須の「表面反応メカニズム」の解明と導入技術−酸化膜形成・CVD・ドライエッチング・表面洗浄等、要素プロセス改善の革新的知見を集大成!

主要構成

第1章 ULSIプロセス技術の進歩と表面・界面反応制御
第2章 酸化膜形成プロセスとシリコン表面
第3章 CVD膜形成技術と基板表面(1)−メタルCVD
第4章 CVD膜形成技術と基板表面(2)−絶縁膜
第5章 シリコン・エピタキシーと基板表面
第6章 ドライエッチングにおける表面反応制御
第7章 ウエハ表面の超精密洗浄技術
第8章 次世代ULSI製造のための表面物性評価法
第9章 表面反応プロセスの将来展望
特別資料

【発刊にあたって】

 半導体技術は年々著しい進歩を続け、現在では0.5μmのデザインルールを持ったデバイスが量産されるようになった。 また、次世代の0.35μmレベルのデバイスも開発が進んでおり、1993年および1994年に米国において開催された国際固体回路会議(ISSCC)では各社から0.25μmレベルの技術を用いた256MbDRAM開発の発表も行われた。
 このような高度のデバイス開発を可能にするのはいうまでもなく微細加工を中心としたウェハープロセス技術である。 デバイス構造はますます微細化・複雑化し、浅い接合形成、極薄酸化膜、多層配線構造、超平坦化等の技術が重要となる。
 それらに付随してとくに基板表面の状態やミクロな構造がプロセスの結果と密接に係わるようになりつつある。 特に表面における化学反応を用いたCVD、ドライエッチング、熱酸化膜形成、表面洗浄等のプロセスにおいては従来にもましてプロセスそのものが表面に敏感となり、化学反応の<場>としての表面に関する検討が必要となる。 このような動向に鑑みて、特に今後のULSIに適用されるこれらのプロセスを表面反応プロセスとして捉え、その反応メカニズム、表面との関わり、デバイス適用における課題等についてケミストリーに力点を置いて従来とは異なる切り口でまとめることは非常に意義があることと思われる。
 本書はこのような状況を背景とし、半導体プロセス技術における要素技術別に解説、議論を行うもので今後の半導体デバイス開発のために多くのヒントを与えるものと信じられる。表面物性評価技術についても最先端手法について紹介し、更に化学反応という観点から基礎的な議論にも重点を置いた。 今後の半導体プロセス技術はいわば応用技術と基礎技術とが重複する領域に入ることとなり、本書のような企画は将来を先取りするものであり、極めて意義がある企画であるといえよう。
編集委員 菅原 活郎/前田 和夫

内容目次

第1章 ULSIプロセス技術の進歩と表面・界面反応制御
<廣瀬 全孝>

高集積化、微細化、立体化の進展著しいULSIで新しいブレークスルーを探す上で重要な表面反応を概観、後述の各論への導入を行う。 歴史的展望も加え、ULSIへのインパクト面から表面反応の精密制御重要性を説明し、読者の理解を得やすくする。
  1. 先端プロセス技術の課題と表面・界面制御の重要性
  2. ULSIプロセスと表面・界面の評価及び反応制御
    2.1 表面・界面研究の歴史的背景
    2.2 要素プロセス技術と表面・界面反応
  3. 今後の課題

第2章 酸化膜形成プロセスとシリコン表面
<長谷川 英司/築地 優/安藤 公一/石谷 明彦/秋本 晃一/水木 純一郎>

ULSIでMOS Memoryを例に取れば、Capacitorの面積を縮小することが大きな課題である。このために、極薄酸化膜形成、Si基板上に形成される自然酸化膜、高誘電率膜の形成と制御が重要である。 表面反応的な面から具体的な機構解明と展望を試みる。 ULSIの電気的特性、信頼度の事例も紹介する。

(1) 自然酸化膜
  1. 自然酸化膜の形成
  2. 自然酸化膜の構造
(2) 極薄熱酸化膜の形成とメカニズム

(3) 酸化膜界面の微細構造
  1. バルク酸化膜の構造
  2. SiO2/Si界面の構造
  3. 界面構造遷移層
(4) 電気的特性との関係
  1. 試料の作成と測定条件
  2. 初期耐圧特性と電流電圧特性
  3. 長期信頼性
  4. 絶縁破壊メカニズム
(5) 熱窒化膜、酸窒化膜の形成とそのメカニズム
  1. 窒化メカニズム
  2. 熱窒化膜、酸窒化膜の構造

第3章 CVD膜形成技術と基板表面(1)―メタルCVD 

微細多層配線でメタルCVD膜形成は平坦化を実現する上で重要な技術である。 基板表面との関係で、表面反応との関係を見直し、実用的に重要な基板との密着性、選択成長および成長機構、単結晶成長などの薄膜構造との関係を纏めて説明する。

(1) W-CVD技術<大場 隆之/古村 雄二>
  1. W-CVD技術
    1.1 Si還元反応
    1.2 Wの厚膜成長
    1.3 装置
  2. Si還元反応
    2.1 酸化膜の影響
    2.2 Siの侵食
    2.3 反応様式
    2.4 Si拡散と還元反応
    2.5 成長速度
    2.6 膜質
  3. ブランケットW成長
    3.1 成膜特性
    3.2 密着性
  4. 選択W成長
    4.1 成膜特性
    4.2 膜質
    4.3 選択性
(2) A1-CVD技術<有田 睦信/天沢 敬生>
  1. プリカーサ材料
  2. CVD装置
  3. 表面反応機構
  4. 選択CVDの機構
  5. 単結晶化
(3) Cu-CVD技術<有田 睦信/粟屋 信義>
  1. プリカーサ材料
  2. 絶縁膜(SiO2およびSi3N4とCuとの密着性とバリア膜
  3. 酸化および還元反応
  4. 表面反応機構
  5. 選択CVDの機構

第4章 CVD膜形成技術と基板表面(2)―絶縁膜
<前田 和夫>

平坦・微細多層配線技術でメタルCVDと同様に大切な絶縁膜について、基板表面と膜形成技術との関係―ステップカバレッジ、基板との密着性、選択性―を表面化学的に明確化し、反応途中過程まで含め表面反応機構を明らかにする。
  1. CVD法による絶縁膜形成
    1.1 デバイスに応用されるCVD絶縁膜
    1.2 絶縁膜CVD法の種類と特徴
    1.3 膜形成のための原料ガス
    1.4 絶縁膜形成CVD装置
  2. CVD絶縁膜形成反応の特徴
    2.1 CVD反応の諸方式
    2.2 化学反応の制御要素
    2.3 熱CVD反応
    2.4 プラズマ励起反応
    2.5 光励起又は光アシストCVD反応
    2.6 CVDによる絶縁膜形成のメカニズム
  3. CVD法による絶縁膜形成反応と基板表面
    3.1 反応場所としての表面
    3.2 絶縁膜形成における表面反応の評価
    3.3 ステップカバレージ
    3.4 表面平滑性
  4. 有機シリコンを用いたシリコン酸化膜形成反応
    4.1 有機シリコンによるCVD酸化膜形成
    4.2 TEOSとオゾンの反応による酸化膜形成
    4.3 シロキサンとオゾンの反応による酸化膜形成
    4.4 基板表面依存性の評価
    4.5 表面改質とその効果

第5章 シリコン・エピタキシーと基板表面
<鈴木 誉也/宮内 昭浩>

CVD膜で条件的に一番シビアな単結晶薄膜を形成するシリコンエピタキシーと基板表面との関係を纏める。 基板表面でのマイグレーションも含め、反応機構と単結晶成長機構を説明する。 具体的な成果として低温エピタキシーを成長される上で重要な基板の清浄化、自然酸化膜の除去効果についても説明を加える。
  1. 成長反応機構
    1.1 成長の素過程と表面反応
    1.2 SiH4エピ成長の表面反応
    1.3 Si-H-Cl系エピ成長の表面反応
  2. シリコン基板の清浄化
    2.1 エピ工程におけるシリコン基板の洗浄
    2.2 自然酸化膜の成長抑制技術
  3. エピ炉内での自然酸化膜の除去
    3.1 エピ炉内での自然酸化膜除去のポイント
    3.2 物理的手法
    3.3 化学的手法
    3.4 エピ炉内での酸化防止法
  4. 低温エピタキシー

第6章 ドライエッチングにおける表面反応制御
<水谷 巽>

微細加工技術でキーとなるドライエッチングプロセスに関し、ドライエッチング反応機構、基板表面での反応、基板表面状態との関連を説明する。 最近の研究成果実例として低温エッチング、高度化シミュレーションと表面反応計測法を紹介する。
  1. ドライエッチングの反応機構
  2. イオンアシストエッチング反応の微視的機構
  3. エッチング反応の制御
  4. エッチング反応機構研究の今後

第7章 ウェハ表面の超精密洗浄技術
<辻 幹生>

薄膜形成、エッチングで基板表面の超精密洗浄の重要性が認識されている。 究極的には原子レベルの清浄化が要求される。 基板表面の超精密洗浄がULSI微細加工技術に占める重要性を明確にし、表面微細構造と清浄化技術との関連を実例として紹介する。
  1. 要求されるウェハ表面清浄度
    1.1 パーティクル
    1.2 金属不純物
    1.3 有機物
    1.4 自然酸化膜
  2. 実際の半導体製造プロセスでの汚染レベル
    2.1 パーティクル汚染
    2.2 金属汚染
    2.3 薬品からの汚染
    2.4 炉材からの汚染
  3. ウェハ洗浄技術
    3.1 除去対象物質と洗浄方法
    3.2 従来の洗浄液の問題点
    3.3 新しい洗浄液
  4. ウェハ乾燥技術
  5. 今後の洗浄・乾燥技術

第8章 次世代ULSI製造のための表面物性評価法
<小山 浩>

次世代ULSI製造のためには、微小領域での表面及び界面での高精度物性評価が重要である。 膜組成、不純物分布、表面状態を実例で説明する。 精度を向上させるためのコンピュータ・シミュレーションについて実例をあげ紹介する。

(1) 表面形状・構造評価法
  1. 従来の精密計測技術
  2. STM/AFM(走査トンネル顕微鏡/原子間力顕微鏡)
  3. 散乱法
  4. EXAFS法
(2) 組成・プロファイル・汚染評価手法
  1. 全反射蛍光X線法
    1.1 TXRFの原理
    1.2 TXRFの汚染評価への応用
  2. X線光電子分光法
    2.1 XPSの原理
    2.2 汚染評価への応用
  3. 二次イオン質量分析法
    3.1 TOF-SIMS
    3.2 SNMS
(3) 電気的評価法
  1. DLTS/ICTS法
  2. TDDB評価

第9章 表面反応プロセスの将来展望
<菅原 活郎>

上記各論と展開されるULSIからのニーズを把握し、表面反応プロセスの将来展望を明らかにする。
  1. 最先端デバイスとプロセスの進展
  2. 最先端プロセスと表面反応
    2.1 熱酸化膜
    2.2 CVD膜
    2.3 エッチング
    2.4 共通技術
  3. 表面反応プロセスの将来展望
    3.1 デバイス、プロセスの進展
    3.2 表面反応プロセスの将来展望

特別資料(1) 化学からみた表面反応・気相反応の解析手法
<霜垣 幸浩>

化学面からみた表面反応・気相反応の区分を明らかにし、CVDを中心に各々を分離する解析手法を具体例―MMC法―をあげて説明する。 この中で一般の表面反応機構も紹介する。
  1. 化学反応機構解析の意義
  2. CVDプロセスにおける気相反応と表面反応の役割
  3. ステップカバレッジを利用した表面反応速度の解析
  4. MMC法による気相反応と表面反応の解析
  5. CVDプロセス改善

特別資料(2) 表面電気化学反応を基礎としたCVD膜形成モデル
<坪内 和夫/益 一哉>

基板の自由電子、終端電子、原料ガスの分子構造を基礎にしたCVD膜形成モデルを説明する。 CVD膜形成は基板温度を上昇させた状態で行われるため、温度上昇状態での機構解明の結果も記述する。
  1. A1CVD技術(アルキルアルミニウムの分解反応)
  2. DMAHを用いたA1選択成長
    2.1 単結晶A1選択成長
    2.2 微細MOSFETへの応用
  3. A1選択成長メカニズム
    3.1 表面電気化学反応モデル
    3.2 実験結果によるモデルの考察
  4. 原子層水素レジストプロセスによる選択A1パターニング


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執筆者一覧(所属・肩書き等は発刊当時のものです)
 
【編集委員】
菅原 活郎日本大学 工学部情報工学科 教授
前田 和夫(株)半導体プロセス研究所 代表取締役
 
【執筆者】(執筆順)
廣瀬 全孝広島大学 工学部 教授 集積化システムセンター センター長
長谷川 英司日本電気(株)ULSIデバイス開発研究所 高集積技術開発部
築地 優日本電気(株)ULSIデバイス開発研究所 高集積技術開発部 主任
安藤 公一日本電気(株)ULSIデバイス開発研究所 高集積技術開発部
石谷 明彦日本電気(株)ULSIデバイス開発研究所 高集積技術開発部 部長
秋本 晃一日本電気(株)マイクロエレクトロニクス研究所LSI基礎研究部 課長
水木 純一郎日本電気(株)基礎研究所物性応用研究部 課長
大場 隆之富士通(株)プロセス開発部第4開発部
古村 雄二富士通(株)プロセス開発部第4開発部 部長
有田 睦信日本電信電話(株)NTTLSI研究所 主幹グループリーダー
天沢 敬生日本電信電話(株)NTTLSI研究所 主幹研究員
粟屋 信義日本電信電話(株)NTTLSI研究所 主任研究員
前田 和夫(株)半導体プロセス研究所 代表取締役
鈴木 誉也(株)日立製作所 日立研究所 主管研究員
宮内 昭浩(株)日立製作所 日立研究所 研究員
水谷 巽(株)日立製作所 中央研究所先端技術開発部 主任研究員
辻 幹生日本電気(株)ULSIデバイス開発研究所 高集積技術開発部 主任
小山 浩三菱電機(株)ULSI開発研究所評価解析センター センター長
菅原 活郎日本大学 工学部情報工学科 教授
霜垣 幸浩東京大学 工学部化学工学科 講師
坪内 和夫東北大学 電気通信研究所 教授
益 一哉東北大学 電気通信研究所 助教授


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