| Project/Area Number |
21K04649
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 26020:Inorganic materials and properties-related
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| Research Institution | Japan Advanced Institute of Science and Technology |
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Principal Investigator |
堀田 將 北陸先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (60199552)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2021)
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| Budget Amount *help |
¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
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| Keywords | 低温作製 / シリカ膜 / OH / 酸化Ｓｉ膜 / アンモニアガス / シリコーンオイル |
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| Outline of Research at the Start |
低温作製したシリカ(SiOx)膜の電気的絶縁性を低下させている膜中の残留水分系不純物H2O, OH量を、研究代表者らが独自に開発した「アンモニアNH3ガス雰囲気アニール法」を基に200℃以下の低温処理で1%未満に低減させると共に、その低減機構の学術的解明を目的としている。また、その熱処理SiOx膜が、デバイスの電気的絶縁膜としても実用上応用できる電界強度3MV/cmでの電流密度を10-8A/cm2以下にすることを目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
電界印加の効果を明らかにするために、1)低温酸化Si膜に電界を印加せずにNH3アニール処理によるOH基除去効果のアニール温度・時間依存性、2) OH量減少のより正確な定量的評価方法を検討した。
1) 低温堆積した厚さ100～150 nmシリカ膜を、120, 150, 180, 200, 220℃の5種類の温度でそれぞれ、5, 10, 20, 60, 120, 240分の6種類の時間でアンモニアアニール処理を行った。アニールガスは、流量0.2lmのNH3及び0.05lmのN2ガスを用いた。その結果、大まかには堆積直後のOH量が120℃、5分の処理で約1/2まで急激に減少し、その後は、時間と共に緩やかに減少して、240分では約3/8まで減少した。OH基の起因ピークはSi-OHによる950cm-1付近のもの(OH-1)とOHやH2Oによる3300cm-1付近のもの (OH-2)の2種類があるが、何れも同様な傾向を示した。ただ、OH-2のものに比べ、OH-1の方がアニール時間と温度による効果が高い。例えば、堆積直後からの減少割合Rが、120℃では5から240分に長くすると、OH-1, OH-2のRは、それぞれR = ~0.56/0.50からR = ~0.35/ 0.32となり、また220℃では、R =~ 0.33/ 0.41からR = ~0.13/ 0.28となった。
2） 950cm-1付近に現れるOH-1ピークは、1070cm-1にピークを持つSi-O-Siによるもの(Si-Oピーク)と重なり、残留ＯH量の定量評価が難しい。そこで、FT-IRスペクトル強度を波数の一階微分を行い、それによる極小、極大ピーク値の差がOHによる信号強度に比例することを理論的に検証した。また、OH基量減少と共に両極値波数間距離が徐々に減少し、ピークが無くなれば、ゼロとなることも分かった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
当初の計画では、100～250℃間でNH3アニールを行い、各温度でのOH基減少量の膜厚依存性を調査する予定であった。しかし、1) アニールによるOH減少量の再現性が十分にとれていないことが分かり、本研究の目的であるアニール時の電界印加によるOH基除去効果の評価に問題が生じた。また、2) OH基量評価に用いるFT-IRスペクトルにおいて、Si-O-SiとSi-OH結合に起因する両ピークが重なり、現在のピーク高さによる単純評価法では、微量な残留OH基量を正確に評価できないことが予想された。そのため、多少進捗が遅れても、研究初年度では、再現性ある実験方法とより正確な定量的評価法を確立することから始めた。
1)再現性ある実験のために、NH3ガス中水分量の厳格な制御、及びアニール試料の大気中水分吸着の防止を施した。また、それを確かめるために、アニール温度を120から220℃、アニール時間を5から240分と大きく変化させ、それらの変化に対して、OH量の減少傾向に矛盾が無いか否かを検討した。その結果、以前のアニール法では、アニール温度を高く、あるいは同じ温度でもアニール時間を長くすると逆にOH量が予想に反して増加するという矛盾する結果が得られたが、今回の検討によりそれがほぼ無くなり、再現性の高いデータが得られるようになった。
2)得られたFT-IRスペクトルを波数で一階微分することにより、波数依存性が低いバックグラウンドノイズを除去できることと、重なり合う異なるスペクトル由来の信号を定量的に分けることができ、より正確なOH量減少の定量評価が可能となった。
これらの事から、今後は、再現性良く、またより正確な定量評価のもとで実験ができるようになった。また、これらの検討のため、当初の計画より研究はやや遅れはしたが、十分に挽回はできるものと考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
再現性とより正確な定量評価が可能となったので、今後は、当初の計画通り、以下の様に進めて行きたい。
1)Si基板上に堆積した厚さdS = 50～200nmのSiOx膜に、堆積温度Ta = 100～250℃間でNH3アニールを行い、各温度でのH2O, OH脱離量の膜厚dS依存性を調査する。その際に、事前にOH基を終端する有機溶液（例えばC6H18NSi2:HMDS）を用いて試料表面処理を施し、有機溶液によるOH除去効果の確認も行う。
2)1)の実験結果から膜厚dC及びNH3アニール温度を適切に決め、Al, Siの真空蒸着、あるいは導電性テープにより試料全面に電極を形成した試料に対してNH3アニールを行い、電極の効果、膜厚dCの最適化を調査し、考察する。また、NH3アニールと同時に電界印加を行い、それによるOH脱離効果を調査し、最適な条件を見出す。
3)イオン注入により原子間結合を切断したSiOx膜をTa=120℃以上のNH3アニールを行い、膜の緻密化の有無、原子間結合度合、残留H2O, OH脱離量を評価する。また、湿度(40~50%)で大気保存した処理試料の再付着量も評価する。注入不純物としてO, Siなどを用いるが、注入加速電圧Vaは膜厚dSの半分が注入イオンの射影飛程になるようにし、注入量Dは、ほとんどの結合手が切れる、膜中全原子数の1/100程度にする。
4) 1)~3)の結果から、残留H2O, OH減少のメカニズムを明らかにし、その量が目標値以上に減少できる条件を示す。また処理試料の電流－電圧(I-V)特性を測定し、電界強度3MV/cmで電流密度10-8A/cm2以下となるように、2), 3)事項の再検討も含めて、最終目的を達成する。
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