半導体の熱酸化とシート抵抗とは？4探針法とよくある不良をわかりやすく解説【イオン注入・熱処理3級・第5講】

この記事でわかること

• ① 熱酸化
• ② 熱のそのほかの使い方
• ③ 電気の通りにくさ（シート抵抗）で調べる
• ④ そのほかの検査
• ⑤ よくある不良と原因

※各節の「くわしく見る」は、計算で確かめたい人向けです。

① 熱酸化：シリコンを酸化膜に変える

大事なポイント：高温の酸素や水蒸気にさらすと、シリコンの表面が、二酸化ケイ素の膜に変わります。膜の一部は、シリコンを使ってできます。

熱をかける工程の代表が、熱酸化です。ウェハを、およそ800〜1200℃で、酸素や水蒸気にさらすと、シリコンが酸素と結びつき、二酸化ケイ素（SiO₂、ガラスの仲間で、電気を通しにくい）の膜ができます。

酸素を使う方法をドライ酸化、水蒸気を使う方法をウェット酸化といいます。ウェット酸化は膜が速く育つので、厚い膜に向きます。ただし、できた膜はやや粗く、絶縁の性能や界面の状態では、ドライ酸化に劣るとされます。ドライ酸化は遅いものの、質のよい膜になります。厚い膜は、ドライとウェットを組み合わせてつくることが多い、と説明されています。

酸化膜は、イオン注入にも関係します。注入の前に、ウェハの表面へ薄い酸化膜を置いて、チャネリングや表面の汚れ、傷みを減らす使い方があります。また、不純物の通り道をふさぐマスクとして、酸化膜を使うこともあります。

酸化では、膜が上へ伸びるだけでなく、下のシリコンも使われます。厚さの約46%が、もとの表面より下にあたる、と資料に書かれています。つまり、膜をつけるほど、シリコンが、その分だけ薄くなります。

② 熱のそのほかの使い方：緻密にする、反応させる

大事なポイント：熱は、膜を緻密にする、不純物を押し込む、金属とシリコンを反応させるなどにも使われます。

アニールと酸化のほかにも、熱はいろいろな目的で使われます。それぞれに、「なぜ必要か」があります。

• 押し込み（ドライブイン）：表面に入れた不純物を、熱で深い所まで広げます。浅いままでは、目的の深さにならないからです。
• 膜の緻密化：CVDなどでつけた膜は、すき間が多いことがあります。熱で密にすると、膜が丈夫になり、電気的な性質も安定します。RTAで膜を緻密にする、と資料にもあります。
• 金属とシリコンの反応：金属の膜をシリコンの上につけて熱すると、反応して、電気を通しやすい接触部分ができます。金属と半導体のつなぎ目の抵抗を下げるために使われます（一般的な説明です）。
• 界面の改善：水素を含むガスの中で熱し、シリコンと絶縁膜のあいだの欠陥を減らす方法もあります（一般的な説明です）。

これらはいずれも、温度と時間で、結果が大きく変わる点が共通です。第4講で学んだ、不純物が広がる問題と、同じ考え方が使われます。

③ シート抵抗：薄い層の電気の通しにくさを測る

大事なポイント：シート抵抗は、薄い層の、正方形1枚あたりの抵抗です。単位はΩ/□（オーム・パー・スクエア）です。値が小さいほど、電気を通しやすい層です。

アニールのあとに、まず調べるのは、シート抵抗です。「注入した層が、狙いどおりに働いているか」を、電気の通しにくさで確かめます。

シート抵抗は、膜の厚さを t、材料の抵抗率を ρ（ロー）とすると、Rs ＝ ρ ÷ t で表されます。正方形の薄い膜を、向かい合う2辺で測った抵抗が、大きさに関係なく同じ値になる、という考え方です。単位は、ふつうの抵抗と同じΩですが、シート抵抗とわかるように、Ω/□と書きます。

測るには、4探針法が使われます。4本の針を一直線に並べ、外側の2本で電流を流し、内側の2本で、電圧を測ります。電流を流す針と、電圧を測る針を分けるので、針と膜のあいだの接触抵抗の影響を避けられます。資料にも、接触抵抗がシート抵抗と同じくらい大きくなることがあるため、4探針法が使われる、と書かれています。

注入した層では、活性化した不純物が多いほど、電気を運ぶ粒が増えて、シート抵抗は小さくなります。したがって、シート抵抗は、活性化がうまくいったかを確かめる、簡単で分かりやすい指標になります。

④ そのほかの検査：分布、膜の厚さ、ごみと傷

大事なポイント：シート抵抗だけでは、深さや分布は分かりません。目的に応じて、別の方法を組み合わせます。

シート抵抗は、層全体の平均的な電気の通しにくさを教えてくれますが、「不純物が、どの深さにどれだけいるか」は分かりません。深さごとの濃さを調べる方法として、SIMS（二次イオン質量分析）があります。試料の表面をイオンで少しずつ削り、飛び出す粒を質量で分けて数える方法です。▶ 2級でくわしく

酸化膜や、そのほかの膜の厚さは、光を当てて、反射の様子から測る方法がよく使われます。ウェハを傷つけずに測れるので、工程の途中でも使えます。

また、ウェハの表面についた、ごみ（パーティクル）や、傷の検査もあります。ごみが残ったままアニールすると、そこだけ膜が不均一になり、不良の原因になります。

実際の工場では、製品のウェハとは別に、試験用のウェハに、同じ条件で注入とアニールを行い、シート抵抗などを測ることがあります（一例です）。製品を傷つけずに、装置の状態を、定期的に確かめるためです。

⑤ よくある不良と、その原因

大事なポイント：シート抵抗や分布のずれは、注入、アニール、ウェハのどこに原因があるかを、順にたどって探します。

よくある不良を、原因とあわせて並べます。いずれも、これまでの講で学んだ内容につながっています。

• シート抵抗が高すぎる：アニールの温度が低い、時間が短いなど、活性化が足りない場合や、ドーズ量が少ない場合があります。
• シート抵抗が、ウェハの面内でばらつく：走査のむらで、当たる量が違う、または、アニール中の温度むらが、原因になります。
• 接合が深すぎる：温度が高すぎる、時間が長すぎる（広がりすぎ）、またはチャネリングで、深い所へ入ったことが考えられます。
• 電流のもれが多い：損傷が、アニールで直りきらず、欠陥として残っている可能性があります。
• 反りやずれ（転位）：RTAなどで、急に熱して冷ます際に、温度の差が大きいと、ウェハにかかる力で起きることがあります。
• 意図しない元素の混入：質量分離が不十分で、別の元素が入ったことが、原因になりえます。

不良は、1つの原因とは限りません。ドーズ量、エネルギー、傾き角、アニールの温度と時間などを、順に疑って、1つずつ確かめます。シート抵抗を見る際は、図のように、アニール温度が低すぎると高く、十分な温度で下がる傾向を知っておくと、判断しやすくなります。

安全のひとこと：酸化やアニールでは、高温の炉、酸素や水素などのガス、場合によって、塩化水素のような腐食性のガスを使うことがあります。シート抵抗の測定では、針でウェハを傷つけないように扱います。取り扱いは、必ず職場の決まりとSDS（安全データシート）に従います。

この講のまとめ

これで、イオン注入と熱処理の3級は終わりです。次の段階では、分布の計算や、活性化の限界、浅い接合をつくる方法など、より細かい内容を学びます。

ことばのおさらい

• 熱酸化：高温で、シリコンを酸素や水蒸気と反応させ、酸化膜をつくることです。
• ドライ酸化・ウェット酸化：酸素を使う方法と、水蒸気を使う方法です。
• 押し込み（ドライブイン）：熱で、不純物を深い所まで広げることです。
• シート抵抗：薄い層の、正方形1枚あたりの抵抗（Ω/□）です。
• 4探針法：4本の針で、電流と電圧を分けて測る方法です。
• SIMS：深さごとの濃さを調べる、二次イオン質量分析です。

よくある誤解

Q. シート抵抗は、オームと同じ単位ですか？

次元は同じですが、シート抵抗とわかるように、Ω/□と書きます。正方形1枚あたりの値で、大きさに関係しません。

Q. シート抵抗が低ければ、不純物の分布も正しいといえますか？

いいえ。シート抵抗は、層全体の平均的な値です。深さごとの分布は、SIMSなど、別の方法で調べます。

参考にした公式情報

• Wikipedia「Thermal oxidation」（ドライ・ウェット酸化、800〜1200℃、シリコンを使う割合。実際に読んだ）
• Wikipedia「Sheet resistance」（シート抵抗の定義、Ω/□、4探針法の利点。実際に読んだ）
• Wikipedia「Rapid thermal processing」（RTAの用途、緻密化、弱点。実際に読んだ）