半导体的微细化逐年发展，现在元件中包含的晶体管数量已高达数十亿个。然而，为了实现进一步的微细化，就需要控制伴随着微细化而增多的氧化膜及电路缺陷。一旦出现缺陷，就会增加耗电量，导致误动作等。为了精密地控制氧化反应，在硅基板上制作出缺陷少的优质氧化膜，就需要理解原子级别膜厚上发生的氧化反应机理。
图1:SiO2/Si界面处O2反应过程示意图（提供：日本原子能研究开发机构）
日本原子能研究开发机构物质科学研究中心的津田泰孝博士研究员、吉越章隆研究主干、东北大学的高桑雄二教授、小川修一助教、福井高等专门学校的山本幸男教授等人的研究团队，通过利用SPring-8的高亮度辐射光进行实时光电子能谱观察，明确了氧化硅膜的生长机理。津田研究员表示：“控制温度条件、压力、氧气速度等参数时，如果不知道反应机理，就需要一个个地试错寻找条件。这次明确机理后，就为需要怎样的工艺才能达到几乎没有缺陷的状态树立了指针。”该成果已刊登在Journal of Chemical Physics的在线版上。
硅基板上的氧化膜，即SiO2的生长，是通过从氧化膜表面吸取O2并向内部扩散，在SiO2/Si界面上进行反应实现的。此前，业内普遍认为在SiO2/Si界面处的O2反应过程，是Si-Si键和O2直接反应生成Si-O-Si键。但这样的反应需要O2具有高动能。由于在O2气体氧化过程中的O2分子的平均动能很低，因此上述解释存在矛盾之处。
研究团队注意到SiO2/Si界面处产生的缺陷。在SiO2/Si界面处，SiO2的生成会带来体积膨胀，导致大应变。这种应变会引发界面处产生缺陷。研究团队此前已经发现O2在这个缺陷上会发生反应，但在缺陷中是如何反应的却不明确。
此次，研究团队通过在缺陷中结合载流子（在半导体内部有助于导电的电子和空穴），使其成为容易发生化学反应的状态，预测其会与O2发生反应，并通过使用放射光的实时光电子能谱测定对预测进行了证实。此外，研究团队还发现在易发生反应的缺陷中，O2以分子的形式吸附。其后，O2解离为O原子，形成Si-O-Si键。这种分子吸附的反应途径不需要能量，从而能够自然地解释实验结果，不会出现以往那样的矛盾。
由此，研究团队提出了一种新的反应机理，即SiO2/Si界面处的O2反应通过缺陷的分子吸附进行，在该反应过程中Si衬底的载流子也参与其中。
该氧化模型有多种应用的可能性，例如，可以解释此前未知的p型Si和n型Si的氧化速度不同的原因，也将有助于确立今后会发挥重要作用的CMOS设计及制造过程中不可或缺的基础技术。另外，缺陷中O2发生反应，说明在消除缺陷的同时还可以生长SiO2。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
杂志：Journal of Chemical Physics
论文：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
