2022 Fiscal Year Annual Research Report
Nonequilibrium surface reactions of plasma-assisted atomic layer processes
| Project/Area Number |
21H04453
|
|---|
| Research Institution | Osaka University |
|---|
Principal Investigator |
浜口 智志 大阪大学, 大学院工学研究科, 教授 (60301826)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2021-04-05 – 2025-03-31
|
| Keywords | 半導体プロセス / 原子層エッチング ALE / 原子層堆積 ALD / プラズマ・プロセス / プラズマ表面相互作用 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
プラズマ・プロセスを多用する最先端半導体製造では、数ナノメートルの三次元構造体を、原子レベルの精度で、表面を損傷せず加工する必要がある。本研究は、プラズマ表面相互作用の学術的理解を飛躍的に高め、表面反応素過程からプロセス装置まで統合して理論的・実験的に解析することで、原子層精度の加工プロセス（原子層プロセス：ALP）を量子論レベルで理解し、かつ、制御可能とすることを目的とする。手法としては、複雑なプラズマ・プロセスを、個別の素過程に分解して、各種ビーム実験と数値シミュレーションを組み合わせて解析する。本年度は、昨年度に引き続き、SiNのプラズマ支援原子層堆積（PEALD）プロセスの表面解析を行った。典型的なSiN PEALDでは、ジクロロシラン(SiCl2H2)等のクロロシラン系分子を堆積用プリカーサとして用い、Siを表面に堆積した後、窒素・水素あるはアンモニア（NH3）プラズマを用いて表面を窒化する同時に、残余の有機物を脱離させる。本研究では、Siの堆積プロセスの自己停止に必要な塩素原子（Cl）を、次の窒化プロセスの際に、プラズマから供給される水素（Ｈ）原子がCl原子として反応してHClを形成する過程が主要なCl除去過程であることを明らかにした。また、プロセスに用いるプラズマ装置を理解する目的で、容量結合プラズマ・プロセス実験装置を用いて、アルゴン（Ar）気体によるプラズマ放電解析（プローブ計測、発光分光計測等）を昨年度に引き続き行い、衝突輻射モデルから予測されるAr原子の発光分光スペクトルが、気体圧力の低い場合で実験値とよく一致するものの、20Paを超える高圧側で一致しない理由が、アルゴンの準安定粒子の存在確率が、数値シミュレーション・モデルで過小評価されていることが原因であることを明らかにした。このため、現在、プラズマシミュレーションの改良を行っている。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
SiNのPE-ALDプロセスは、SiH2Cl2やSiCl2(CH3)2等のシリコンおよび塩素を含んだ前駆体（プリカーサ）ガス曝露によるSiの堆積ステップと、NH3もしくはN2+H2混合ガスから生成したプラズマ照射による塩素除去および窒化ステップの組み合わせで、プロセスの1サイクルを構成し、このサイクルを多数繰り返して行うことにより、所望の厚さのSiN薄膜を、広い面積で一様に、原子スケールの膜厚精度で成膜する。PE-ALDによるSiN膜堆積において、窒化度の違いや塩素や炭素等の不純物の残留が薄膜の特性に影響を与える可能性があるため、プラズマや反応性気体とプロセス表面との反応の深い理解が、SiNのPE-ALDの効率化やプロセス制御に極めて重要である。本年度の研究ではプラズマ中の活性種としてラジカルに着目し、塩素吸着表面とＮラジカル、Hラジカル、NH, NH2 等のラジカルと塩素・水素吸着シリコン表面の反応を解析した。その結果、水素の存在によるCl原子除去の効果が、Nイオン入射による効果よりも高いことが明らかになった。一方、13.56MHzの平行平板型容量結合プラズマ装置による放電実験を解析するための２次元軸対象流体モデルによるプラズマシミュレーションを行い、実験結果と比較した。計算で得られる電流・電圧特性と、実測された電流・電圧特性を比べると、プラズマ装置の外部回路を流れる電流値の影響は無視でないことが判明し、現在、外部回路を含めたプラズマシミュレーションシステムを構築している。また、実験から得られたAr放電の発光分光を、プラズマの粒子モデルおよび衝突輻射モデルによる数値シミュレーションから予測される発光分光予測値と比較したところ、Ar気体の圧力が高い場合に、プラズマシミュレーションに、Ar基底状態からのイオン化ばかりでなく、Ar励起種からのイオン化を考慮する必要性が明らかとなった。
|
| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究で、SiN のPEALDプロセスの各サイクルにおける窒化および塩素除去ステップの物理機構が明らかになった。今後は、その前段階である、シリコン吸着ステップの物理を明らかにする。SiNの新たなサイクルでは、ジクロロシランSiCl2H2等のプリカーサを脱離吸着させる必要がある。これまで、清浄Si表面での各種クロロシランの吸着エネルギーや吸着の活性化エネルギー、付着係数等を第一原子シミュレーションおよび古典分子動力学シミュレーションで解析してきたが、今後、水素や塩素の吸着したSiN表面で、プロセスで実際に用いる比較的高い表面温状態で、それらのプリカーサの吸着特性を調べ、実験と比較することにより、表面反応の詳細を明らかにする。プラズマ計測とシミュレーションに関しては、反応性ガスのプラズマに与える影響を明らかにするために、Ar/N2放電実験を行うと同時に、対応する数値シミュレーションを行い、放電特性を明らかにする。
|
