酸化膜厚（Oxide Thickness）とは
～MOS構造や絶縁膜評価における基本指標～
■ 定義
酸化膜厚（Oxide Thickness）とは、半導体表面に形成された酸化膜（絶縁層）の物理的または電気的な厚みを指します。
通常はシリコン酸化膜（SiO₂）に対して使用されることが多く、MOSデバイス、MEMS、センサ構造などにおける絶縁性能・ゲート制御性・容量値に直結する重要なパラメータです。
■ 単位と測定範囲
項目 | 内容 |
|---|---|
単位 | ナノメートル（nm）またはオングストローム（Å） |
一般的な範囲 | 数nm（トンネル酸化膜）～ 数百nm（厚膜絶縁層） |
■ 酸化膜厚と酸化膜容量（Cox）の関係
MOSキャパシタなどでは、酸化膜厚と静電容量は以下の式で関係づけられます：
：酸化膜容量（F）
：酸化膜の誘電率
AAA：電極面積
：酸化膜厚（m）
この関係を利用して、C–V測定から電気的な膜厚（等価酸化膜厚）を逆算することが可能です。
■ 酸化膜厚の測定方法
測定手法 | 特徴 | 備考 |
|---|---|---|
C–V測定 | 電気特性から間接的に厚みを算出 | 非破壊・簡便 |
エリプソメトリー | 光の反射特性を解析 | 高精度・表面限定 |
TEM断面観察 | 直接観察による絶対値測定 | 高解像度・破壊式 |
XPS/FTIRなど | 化学分析と厚み測定の併用 | 材料分析向け |
■ 酸化膜厚が影響を与える特性
対象 | 影響内容 |
|---|---|
MOSFETのしきい値電圧（Vth） | 膜厚が薄いとVthが低下しやすい |
ゲートリーク電流 | 極薄膜ではトンネル電流の増加リスク |
容量値の安定性 | 不均一膜厚ではばらつきが増加 |
界面準位密度（Dit） | 膜厚だけでなく、膜質・プロセスにも依存 |
■ 薄膜・厚膜それぞれの用途と課題
種類 | 特徴 | 使用例 | 注意点 |
|---|---|---|---|
薄膜（<10nm） | 高速応答、微細化に有利 | CMOS、DRAM | リーク電流、信頼性 |
厚膜（>50nm） | 絶縁耐圧・安定性重視 | パワーMOS、MEMS | 寸法精度、容量低下 |
■ まとめ
項目 | 内容 |
|---|---|
定義 | 半導体基板上に形成された酸化絶縁膜の厚さ |
単位 | nmまたはÅ |
測定手法 | C–V測定、エリプソメータ、TEM、XPS等 |
関連パラメータ | Cox、Vth、リーク電流、Dit |
用途 | MOSデバイス、センサ、MEMS、絶縁層評価など |