2018 Fiscal Year Research-status Report
高密度水素ラジカルを利用した低環境負荷型金属配線形成プロセスの開発
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18K18809
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
大参 宏昌 大阪大学, 工学研究科, 助教 (00335382)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2021-03-31
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| Keywords | ドライエッチング / 高速 / 水素 / エコフレンドリー / 金属 / 銅 / 配線 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本プロジェクトの目的は、毒性のあるケミカルを一切必要とせず、排出することも無い銅の化学エッチング法を開発することにある。本年度は、種々のエッチング条件を変化させ、高密度水素プラズマによる銅エッチングの基本特性を調べ、明らかにした。エッチングレートに与える基板温度の影響を調べた結果、エッチングレートの変動は観察されなかった。また、深さエッチングレートは500nm/minに達し、低圧水素プラズマで報告のある値に比較して50倍以上高速であることが明らかとなった。また、エッチングレートは、電力の増大に対してほぼ線形に増大し、プラズマ発光分光から、原子状水素の発光強度と良い相関があることが分かった。そこで、加工ガスとしてAr、N2、Heを水素の代わりに用い、本水素プラズマによる加工が、プラズマ加熱による熱的蒸発によるものでは無いこと、ならびにイオン衝撃による物理的なスパッタリングによるものでも無いことを確認し、水素が重要なエッチング因子となっていることを明らかにした。さらに純水素プラズマにより得られるSi、ならびにSiO2に対するエッチングレートとCuの値を比較し選択性を明らかにしたところ、CuはSiO2に比べ11倍高速にエッチングされることを見いだし、SiO2が銅配線プロセスの際、有効なハードマスクとして働くことを明らかにした。また水素プラズマにより加工された表面には、ナノサイズのボイドや突起が多数出現し、表面粗さが大きくなることが分かった。また、加工ガスにN2を用いて銅のエッチング特性を調べている際、水素ガスに10％程度のN2を混合させると、表面粗さ、エッチングレートの両面でエッチング特性が劇的に改善されることを発見した。N2の混合により、エッチングレートは、6倍以上の増加を示し、表面粗さは、0.29umから0.06umに改善された。
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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
本年度の計画目標は、水素プラズマを用いた銅の高速ドライエッチング機構の解明に向けて、各種エッチングパラメータに対するエッチング特性を詳らかにすることである。本年度は、銅のエッチングレート、表面粗さ、さらには材料選択比などのパラメータ依存性を明らかにしてきた。これにより、従来の低圧塩素プラズマに比べて3倍以上、低圧水素プラズマに比べて50倍以上高速な銅のドライエッチングを達成することができた。また、実験後の銅試料を電子顕微鏡で観察すると、エッチング後の銅試料においては、表面のみならず銅バルク内にもボイドが形成されていることが明らかとなり、銅のエッチング機構の解明に向けて重要な手がかりを得ることができた。さらに、本年度明らかになった材料選択比を利用して、パターン付き熱酸化Si基板上のめっき銅膜に対し水素プラズマを曝露したところ、トレンチ内の銅を残存した形でエッチングを実施でき、本手法の配線プロセスへの適用可能性を示すことができた。また、エッチング機構の解明に向けた実験を行う中で、反応ガス中に僅かにN2ガスを混入させることで、エッチングレートと表面粗さが同時に劇的に改善されることを発見した。以上の結果を鑑み、研究は概ね順調に進展したと判断している。
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| Strategy for Future Research Activity |
研究計画は、概ね順調に推移しており、引き続きエッチング機構の解明と配線技術への応用に向け、計画を進める。今後は、本年度新たに発見した添加ガスによるエッチング促進効果にも着目し研究を進める。本年度の研究成果から、純水素プラズマによる銅のエッチングレートは、原子状水素密度に大きく依存し、基板温度にはほとんど依存しないことが明らかとなった。この結果を受け、水素プラズマを用いた銅の化学輸送成膜の実現にむけ、銅原料と基板間で原子状水素密度の差異を発生させるプラズマ生成装置の設計製作を行う予定である。また、発光分光による手法を取り入れることで、プラズマ内部パラメータとエッチング挙動との相関を明らかにする研究を進める予定としている。ここで、本年度新たに発見した添加ガスによるエッチング促進効果は、銅配線形成プロセスにとって有望な効果であるため、その機構解明に向けても精力的に研究を進める。
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| Causes of Carryover |
本年度は、一つの加工試料に対して各種分析法を適用することで、エッチング機構解明に有益な情報が数多得られ、そのデータ解析・取得に時間を割いたことにより、当初想定の試料数を消費せずに十分なデータが採取できた。これにより、次年度使用額が発生した。ここで、エッチング機構の解明に迫る上で、添加ガスにより銅のエッチングが促進される現象を本年度発見したことの意味は大きい。このため、次年度使用額を含めた助成金は、これら新現象の機構解明を含めた研究計画の遂行に活用する予定であり、具体的には加工試料の、表面分析、構造解析、組成分析など、各種の高度分析機器の利用料等に活用する予定である。また、当初計画どおり電子デバイス用の微細銅配線の作製と評価を遂行するため、その試料作成・評価に必要な費用として使用する予定である。
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