2023 Fiscal Year Research-status Report
Plasma annealing for defect passivation in semiconductor materials
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23K03374
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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, エレクトロニクス・製造領域, 上級主任研究員 (50415725)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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| Keywords | 欠陥修復 / 低欠陥プロセス / 先端半導体 / 太陽電池 / イメージセンサー / 水素 / イオン / ラジカル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、プラズマアニールによる半導体材料の欠陥修復メカニズムを解明とする。具体的には、ラジカル、イオン、フォトンが制御されたプラズマを半導体材料に照射し、各種欠陥の修復を調査する。着目する欠陥として、熱アニールでは修復困難な欠陥（ダングリングボンドや不純物由来の欠陥）を取り上げる。また、半導体材料には、結晶シリコン、水素化アモルファスシリコン及び各種化合物を用いる。これらの材料は、先端半導体デバイス、太陽電池、イメージセンサー等に広く用いられ、産業応用上極めて重要な材料である。欠陥検出には、光学的ポンププローブ法、QSSPC（quasi-steady-state photoconductance）法及び分光エリプソメトリ法を用いる。本年度は、先端ロジック半導体の高性能化を念頭に、ゲート酸化膜/シリコン界面の欠陥修復に着目して研究を進めた。以下に得られた成果を記述する。
１）ゲート酸化膜/シリコン界面の欠陥が、酸化膜形成、熱アニール、通常のプラズマ処理（アッシング及びエッチング）等の各種プロセスにより発生することを確認した。一方、熱アニールにより、上述のプロセスで発生した欠陥が概ね修復されることを確認した。しかしながら、一部の欠陥は修復されず残留することも確認した。残留欠陥の起源は、ダングリングボンドや不純物由来であることを明らかにした。
２）残留欠陥の修復には、特定のプラズマアニールが有効に作用することを見出した。具体的には、適切なイオン照射の下で水素供給により欠陥修復が促進されることを確認した。適度なイオン衝撃により、欠陥近傍の構造緩和が進み、水素原子の拡散と欠陥不活性化が促進される結果と解釈される。現在、構造緩和と水素拡散、水素と欠陥との反応を調査している。
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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、ゲート酸化膜/シリコン界面の欠陥の発生と修復を調査し、酸化膜形成、熱アニール、通常のプラズマ処理（アッシング及びエッチング）により欠陥が発生することを確認した。また、熱アニールにより、その多くの欠陥が修復されることを確認した。欠陥の評価には、QSSPC法によるライフタイム測定を用いた。
本年度後期では、適切なイオン照射の下で水素供給により残留欠陥の修復が促進されることを確認した。酸化膜の厚みに応じて、イオン種及びイオンエネルギーの最適条件が異なる予備的な結果を得た。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、本年度得られた成果をふまえ、欠陥の修復に関するより詳細なメカニズム解明を行うとともに、欠陥を完全に修復するプラズマアニールプロセスの研究開発を進める。
具体的には、イオン、ラジカル、フォトンをそれぞれ別々に照射し、欠陥修復におけるそれぞれの役割を明らかにする。また、イオンとラジカルの同時照射等によるシナジー効果を検証する。これらの実験を行い、プラズマアニールの物理化学を明らかにし、先端半導体デバイス等の性能向上に向けた指針を提供する。
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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支出を抑えられたため、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．QSSPCの光源及びフィルターの更新。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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