| 研究課題/領域番号 |
21H04453
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| 研究機関 | 大阪大学 |
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研究代表者 |
浜口 智志 大阪大学, 工学研究科, 教授 (60301826)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-05 – 2025-03-31
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| キーワード | 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 |
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| 研究実績の概要 |
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３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ためのプロセス開発において、産業界が困難に直面し、学術研究による課題解決への期待が大きい。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、SiNのプラズマ支援原子層堆積（PA-ALD）プロセスに注目して、研究を進めた。当プロセスでは、多様な有機シリコン化合物をプリカーサとして用い、Siを表面に堆積した後、窒素（N2）あるはアンモニア（NH3）プラズマ等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。この際のプリカーサの選択と、プラズマ条件により、堆積膜質や膜堆積速度が大きく変化する。本研究では、この表面反応機構を明らかにした。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、プラズマ放電解析（プローブ計測、発光分光計測等）を行い、観測結果を数値シミュレーション結果と比較し、プラズマの放電機構を明らかにした。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
SiNのPE-ALDプロセスは、SiH2Cl2やSiCl4等のシリコンおよび塩素の含んだ前駆体（プリカーサ）ガス曝露による反応層(SiCl層)の生成プロセスと、NH3もしくはN2+H2混合ガスによるプラズマ照射による塩素除去および窒化プロセスにより原子スケールのSiNが成膜される。PE-ALDによるSiN膜において窒化度の違いや塩素等の不純物の残留がマスクの耐性に影響を与える可能性があり、プラズマと塩素吸着表面との反応の理解がSiNのPE-ALDプロセス制御に重要である。本研究ではプラズマ中の活性種としてイオンに着目し、塩素吸着表面と低エネルギーイオンとの表面反応を解析した。 本研究は高分解能X線光電子分光装置と、分子, イオンおよびラジカル等の活性種を超高真空下で試料表面に照射可能なALP(Atomic Layer Process)前駆体照射室からなるALP表面反応解析装置を用いて行った。ALP前駆体照射室にて清浄Si(100)にSiCl4を曝露し形成したSiCl層に対して30-100 eVのAr+および N2+イオンを照射し、塩素の脱離反応および窒化反応をin-situ XPSにより評価した。尚、イオン照射はXPSに搭載されているイオン銃を用い、イオン入射角度は45°であった。具体的には、清浄Si(100)表面にSiCl4を1,000 L (L: 10-6 Torr×sec ) 曝露したのち、Ar+およびN2+イオンを照射した場合、イオン照射量に対して表面近傍に存在する塩素の減衰が確認され、特に、入射イオンエネルギーの違いにより、表面塩素の除去効率が異なっていることが明らかになった。これは、窒素プラズマ照射が塩素の除去に効果的であることを示している。
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| 今後の研究の推進方策 |
SiN のALDプロセスでは、窒素イオンの入射ばかりでなく、水素の入射によるClの除去効果が大きいことが、並行して行った分子動力学シミュレーションで示唆された。SiCl2H2等のプリカーサが、ALPの一層だけ吸着して、それ以上のプリカーサの吸着を妨げる自己停止機能を実現するために、Clの存在が不可欠であるが、SiＮの堆積に際して、Clを除去する機構は、窒素イオンの入射と同等以上に水素効果が大きいことが期待される。今後は、この水素原子曝露によるCl除去効果を、実験的に明らかにする必要がある。また、ALDを最も効率よく行うためのプリカーサの選択についても、多様なシラン系材料の中で、吸着と自己停止効果がもっとも高いプロセスを選択することが望まれるが、そのプロセス最適化に対する指導原理をあきらかにする必要がある。そのために、今後、SiH4, SiCl2H2 等の各種プリカーサの表面吸着確率と表面反応の温度依存性を実験的に明らかにすると同時に、密度汎関数法（ＤＦＴ）第一原理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による各種プリカーサとSiおよびSiN表面における吸着過程の機構を明らかにする。
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