2018 Fiscal Year Research-status Report
プラズマプロセス下における半導体材料の水素パッシベーション機構の解明
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18K03603
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
布村 正太 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 主任研究員 (50415725)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 水素プラズマ / 水素原子 / 結晶シリコン / 水素化アモルファスシリコン / 欠陥 / 表面欠陥層 / 光電流 / 分光エリプソメトリ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、プラズマプロセス下の半導体材料において、水素原子が介在する欠陥の発生と修復のメカニズムを解明することを目的とする。水素原子照射に伴う半導体材料の電気的・光学的特性の変化を光電流計測及び分光エリプソメトリ法により実時間その場計測する。本計測を通し、水素化“進行中”における半導体物性（バンドギャップ、欠陥準位、光電導度等）等の変化を明らかにする。半導体材料として、結晶シリコン、水素化アモルファスシリコン及び関連化合物を採用する。これらの半導体材料は、各種半導体デバイスに広く用いられ、産業応用上極めて重要な材料である。
本年度は、結晶シリコンに対し、水素プラズマを照射した際の欠陥の発生と修復を詳細に調査した。以下に得られた成果を記述する。
水素プラズマ照射に伴い、結晶シリコン内の光電流は減少し欠陥が発生することを確認した。また、照射後の熱アニール時に、光電流は回復し欠陥が修復する様子を確認した。欠陥の発生と修復は、照射時間と処理温度に強く依存することを見出した。処理時間が短い場合、表面欠陥が形成され、照射時間を長くすると共に、バルク欠陥、表面構造のアモルファス化を伴う表面欠陥層が形成されることを見出した。表面欠陥は、アニールに伴いほぼ修復するが、バルク欠陥及び表面欠陥層は、修復困難であることを見出した。
また、結晶シリコン上の酸化膜の界面欠陥を評価した。酸化膜はALD法にて形成し、熱アニール及び水素プラズマ処理を施した。水素化により、ダングリングボンド等の界面欠陥が終端され、良好なパッシベーションが得られることを見出した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究計画書に記載の通り、半導体材料の欠陥の発生・修復に関するメカニズムを調査しており、おおむね研究は順調に進んでいる。
本年度前期では、結晶シリコンに水素プラズマを照射し、水素原子起因の欠陥の発生と修復を調べた。具体的には、光電流計測及び分光エリプソメトリ法を用いて、結晶シリコン表面の電気的・光学的特性の変化を実時間その場計測した。
本年度後期では、水素プラズマ照射により形成された表面欠陥層の解析を進めた。具体的には、断面ＴＥＭ観察やＳＩＭＳによる深さ方向の元素分析を行った。これらの分析より、表面欠陥層は、ポーラス形状のシリコンで、多くの水素原子が存在することが示唆された。表面欠陥層の厚みは数ナノメートルであることも確認した。また、結晶シリコン上酸化膜の界面欠陥の評価を進めた。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、本年度得られた成果をもとに、半導体薄膜形成時の欠陥の発生と修復に関するメカニズムを解明する研究を進める。
具体的には、結晶シリコン上の水素化アモルファスシリコン薄膜形成時における界面欠陥の発生と修復を調査する。水素化アモルファスシリコン薄膜の膜厚を変え、界面欠陥密度を光電流の変化から評価する。得られた結果を踏まえ、結晶シリコンの表面パッシベーションの特性向上に関する指針を得る。また、太陽電池をはじめ半導体デバイス（ロジック、メモリ、イメージセンサー等）の性能向上に関する指針を提供する。
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| Causes of Carryover |
当初購入予定の物品が競争入札等により安価に購入できたため、また、装置を自作する等で出費を抑えられたため、余剰分を次年度へ繰り越す。
当初の予定通り研究を実施する。繰り越し分は、研究を加速させるための追加実験の費用に充てる。１．SOIウエハ（数枚）、シリコン基板（100枚）、酸化膜付シリコン基板（100枚）等の消耗品を購入。２．分光エリプソメトリの光源の更新。３．シリコン薄膜の成膜に必用な特定高圧ガス。４．研究成果の発信のため、国内外の学会への参加費用。
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| Remarks |
１．2018年 堀場雅夫賞受賞
２．第17回 応用物理学会 プラズマエレクトロニクス分科会 プラズマエレクトロニクス賞受賞
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Research Products
(12 results)
