2016 Fiscal Year Annual Research Report
大気圧プラズマの制御と反応解析に基づいた薄膜デバイス作製プロセスの高機能化
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26249010
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
垣内 弘章 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (10233660)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
押鐘 寧 大阪大学, 工学研究科, 助教 (40263206)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 薄膜作製技術 / 大気圧プラズマ / 薄膜デバイス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
(1) 低温でのデバイス品質a-Siおよびmc-Siの高速成膜条件とTFT特性の検討
これまでは基板温度220℃における実験検討がメインであったが，28年度は，プラスチックフィルム（ポリエチレンナフタレート）を使用可能な120℃まで基板温度を下げ，デバイス品質のアモルファスSi（a-Si）および微結晶Si（mc-Si）薄膜を作製可能な成膜条件の検討を行った．実験においては，従来と同様の投入電力やガス流量に対する依存性に加え，投入電力のパルス変調の効果についても検討した．その結果，投入電力のパルス変調を行うことにより，当初の目論見通り，形成されるSi薄膜の均質性が大幅に向上することが確認された．また，熱酸化膜付Siウエハを基板とし，形成したSi薄膜をチャネル層としたTFTを種々の電力やガス流量の条件において作製・評価したところ，パルス変調のduty比（電力のOn/Off比）が小さくなるほど，TFT特性が向上し，duty比10%において，一般的なa-Si TFTと同程度の電界効果移動度（約1 cm2/Vs）を達成した．
(2) 緻密で絶縁性の良好なSiOxの低温・高速・高品質成膜の実証
前年度に引き続き，種々の条件での実験検討の結果，ダストフリーかつカーボンフリーなSiOx薄膜を，Siウエハ基板上に基板温度120℃において高速形成可能な成膜条件を解明した．また，C-V特性やJ-V特性の測定から，最適条件で得られたSiOx薄膜は，TFTのゲート絶縁膜に求められる絶縁破壊強度および良好な界面特性を持つことが確認された．この成果を基に，次年度（29年度）の研究においては，トータル大気圧プラズマ成膜プロセスによる高性能TFTの実証を目指す予定である．
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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
本研究課題では，大気圧プラズマによる成膜プロセスにおいて顕著に見られるガス流れ方向の膜質の不均質性を，投入電力のパルス変調によって解消することを一つの大きな目的としている．大気圧下では減圧下に比べ，気相中におけるガス分子の移動が拡散によって大きく制限される．このため，プラズマ中でのガス組成がガスの流れとともに急速に変化し，その結果として，基板上に形成される薄膜の膜厚や膜質（結晶性や組成等）が，プラズマ中におけるガス流れ（流速やパターン）を反映した分布を持つ．したがって，減圧プラズマプロセスで得られるような，基板全面に渡って均質な薄膜を得ることが本質的に困難である．このような圧力の違いによる成膜特性の相違を完全に無くすことは難しいが，成膜に寄与するラジカル（活性な原料ガス由来の分子）の形態を制限すれば，膜質を均質化する効果が得られるはずである．このような構想の下，本研究では，プラズマへの投入電力をパルス変調し，電力のOn時間を短くすることによって原料ガスの分解を制御することにより，特に良好な電気伝導性が要求されるSiの成膜プロセスの高機能化を試みている．
平成28年度までの成果により，当初の構想通り，投入電力のパルス変調がSiの膜質の均質化に大きな効果があることが確認されるとともに，ポリエチレンナフタレート等のプラスチックフィルムを使用可能な120℃の基板温度において良好な電界効果移動度を持つa-Si TFTの作製に成功したことから，研究は順調に進展しているといえる．
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| Strategy for Future Research Activity |
平成28年度に引き続き，29年度以降も，投入電力のパルス変調がSiの膜質の均質化および高品質化に及ぼす効果について検討を進める．同時に，種々の成膜条件で形成したSi薄膜をチャネル層としたTFTの作製・評価も継続する．
本研究でこれまでに実証してきたTFTは，主にa-Siをチャネル層としたa-Si TFTである．mc-Si TFTについてももちろん検討は行ってきているが，これまでのところ，電界効果移動度としてa-Si TFTを超えるものが得られていないのが実情である．これは，結晶粒界が存在するmc-Siはa-Siよりも空気中で酸化しやすく，膜の電気特性の劣化が顕著に生じていしまうことが一つの原因と考えられる．この結晶粒界に起因した膜特性の劣化は，結晶粒界がHやa-Siによって効果的にパッシベートされていれば回避可能といえるが，現状においては，そのために求められるプラズマ条件を十分に解明しきれていない．したがって，今後の研究においては，高品質なmc-Si薄膜の形成条件の解明，及び，a-Si TFTを性能面で大きく凌駕するmc-Si TFTの実証に向けた検討に重点的に取り組んでいく予定である．
上記のSi成膜に関しては，基本的には熱酸化膜付Siウエハを基板に用いて実験検討を進めるが，進捗に応じて，同じく大気圧プラズマにより成膜したSiOx薄膜をゲート絶縁膜として用いた，トータル大気圧プラズマプロセスによるTFTの作製・評価も本格的に行っていく予定である．熱酸化膜（SiO2）と大気圧プラズマ成膜によるSiOx薄膜とでは，TFTを作製した際のSiとの界面特性（界面の粗さや欠陥密度等）が異なることが容易に予想される．したがって，SiOx上にSiを成膜する前に，SiOx薄膜の表面処理（H2プラズマ処理，O2プラズマ処理，他）の効果を系統的に研究する計画である．
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