半導体の微細加工ダメージを診る

シリコントランジスタにおいては、素子性能を向上させるために構造の微細化が進んでいます。しかし、微細構造形成ではプラズマ加工プロセスが用いられており、その際に発生するトランジスタ内部へのプラズマダメージが素子性能に大きな影響を与え、信頼性を低下させるという問題がありました。これまでプラズマダメージの発生メカニズムは解明されていない点も多く、ダメージの修復は不十分でした。

研究の経緯

産総研は、半導体素子の研究開発において性能と信頼性の向上を目指しており、半導体素子のダメージ量を評価する技術を開発してきました。今回、この技術を微細加工に広く用いられるプラズマ加工プロセスに適用し、半導体素子の劣化につながるダメージ量の簡便な定量評価に成功しました。また、ダメージの形成要因を分類し、ダメージ抑止に関する指針を獲得いたしました。

なお、本研究開発は、日本学術振興会の科学研究費助成事業「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の解明（2023～2025年度）」による支援を受けています。また、本研究開発は、名古屋大学 低温プラズマ科学研究センターにおける共同利用・共同研究として実施されています。

研究の内容

今回の研究は、トランジスタの素子性能を劣化させる原因となるダメージ量の定量評価を行う目的で、最もシンプルな構造モデルであるシリコンウエハ上に形成されたシリコン酸化膜のプラズマ加工を対象にしました。図1(a)にプラズマ加工に用いる実験装置の模式図を示します。真空容器内に四フッ化炭素（CF4）プラズマを生成し、電極上に設置したシリコン酸化膜（SiO2）を加工しました。加工時のプラズマの発光スペクトルを図1(b)に示します。発光スペクトルから、フッ化炭素活性種（CF3）やフッ素活性種（F）の存在がわかります。また、バックグラウンドは光子の存在を示しており、そのエネルギーが幅広く分布することがわかります。さらに加工に用いるプラズマは電離状態となっており、フッ化炭素イオン（CF3+）なども存在します。加工時のプラズマには、活性種、イオン、光子などのさまざまな粒子種が存在し、これらの粒子種が酸化膜表面のシリコン原子（Si）や酸素原子（O）と反応し加工が実現されます。

【画像：https://kyodonewsprwire.jp/img/202408265368-O2-D3qOZO9u】

今回の研究では、シリコン表面近傍のダメージの形成要因を分類するために、加工後の酸化膜の厚み（残膜の厚み）を変える実験を行いました。ダメージを定量的に評価するために、シリコンのキャリア寿命を測定しました。キャリア寿命の測定には、シリコン太陽電池の研究開発分野で広く用いられる擬定常状態光伝導度測定法を採用しました。この測定法を用いるとシリコン表面近傍のダメージを簡便に短時間で評価できます。キャリア寿命はダメージの発生により短くなり、ダメージの修復により長くなります。