ECRスパッタによる高品質 誘電体薄膜の低温形成

ECRスパッタによる高品質
誘電体薄膜の低温形成
High-k dieelctrics deposition by
ECR sputtering at low temperature
弘前大学大学院 理工学研究科
知能機械システム工学専攻
教授 小野 俊郎
プレゼンテーション番号：１
1
研究背景
半導体デバイス高性能化： x K (Moore’s Law)
→誘電体：x K (膜厚： x 1/K)
→極薄SiO2(EOT)1.5nm： リーク電流の増大
→SiO2 [k = 3.9] から講誘電体( high-k)要求
[DRAM / MPU]
DRAM*1/2p
Size (nm)
100
10
1
0.1
2000
MPU gate
(physical)
Bulk
2005
x0.9/year
DG
Tox(EOT)
Capacitance (nF/mm2), EOT (nm)
1000
100
SiON (k= 5-6)
Al2O3 (k= 8-10)
低温成膜で high-k
[Mixed-signal devices / MIM]
MIM EOT
MIM Cap.
10
1
CMOS Gate EOT
0.1
2000
2005 2010 2015
2010 2015 2020 2025
year
year
(ITRS 2005: International Technology Roadmap for Semiconductor)
2020
2025
2
従来成膜技術とその問題点
【スパッタ法】
加熱
■比較的低温で成膜
（良質膜には加熱必要）
■段差被覆性が低い
■原料の高純度化容易
■種々の化合物形成に有利
【CVD法】
加熱
■比較的高温で良質膜成膜
■段差被覆が良好
■ガス組成が膜中に取り込まれる
■ガス原料化できる材料に限定
3
新技術の特徴 (1)
ECRスパッタ[ECR sputtering deposition]
deposition
Evacuation
(RP+TMP)
Load-Lock
LLC/TRC
Substrate
Sputter RF
[13.56MHz]
Gas [O2, N2]
Pure metal target
(ECR)
Coils
Microwaves
[2.45 GHz]
Gas [Ar, Xe]
(ECR : Electron Cyclotron Resonance)
Low energy (10-30eV) &
high density ( -10mA/cm2)
Film formation at low
temperature ( -100℃)
4
新技術の特徴 (3)
【イオン照射による膜形成反応支援】
Atom Vibration Temp.
★基板表面原子と低エネルギ照射イオンの弾性衝突
==> 基板極表面の短時間パルス加熱 (～nsec,～nm)
★膜形成の熱平衡プロセス (μsec～msec) ==> 連続加熱
ECRプラズマ(低エネルギ、大電流）による疑似熱平衡反応支援
Pulse Heating (～nsec)
Surface
＋
10-30eV
Binding Energy
～nm
Depth
Substrate
Time
5
新技術の特徴 (4)
Ta atom supply (A.U.)
15
M-mode OX
2.8
O-mode OX
10
2.6
2.4
2.2
5
Target:Ta
Total pressure : 8.5e(-2) Pa
Microwave:600W/RF:800W
0
1.2
2.0
1.8
O-mode OX
1.0
0.8
M-mode OX
0.6
0.4
0.2
0
0
1
2 3 4 5 6 7 8
Oxygen flow (sccm)
9 10
Refractive index @632nm
Deposition rate (nm/min)
【膜形成反応におけるイオン照射効果】
Ta atom supply
S = Vd･A･ρm/Mm
for Ta
= 2Vd･A･ρo/Mo
Ta2O5
for
∵ Vd : deposition rate
A : Avogadro number
ρ: density
M : atom (molecular)
weight
Suffix : m for metal
o for oxide
Soxide/Smetal = 0.4Voxide/Vmetal
= 0.1
6
新技術の特徴(5)
【傾斜回転ECRスパッタ】
スパッタ粒子
イオン流
●パターン段差側壁に成膜粒子・イオンの入射を促進
●平坦部・側壁部ともに、低温で良質薄膜を実現
7
新技術の成果(1):段差被覆
【傾斜回転ECRスパッタの段差被覆】
TaN
Resist
Sidewall:20%
[Center]
[R65]
Material : Ta2O5
Target:Ta
Deposition: room temp.
Gas: Ar/O2
Bottom:30%
SiO2
Si
Material : TaN
Target:Ta
Deposition: room temp.
Gas: Ar
8
新技術の成果(1):段差被覆
0.8
6
0.6
被覆率
(a) 平坦面
(b) 側壁面
4
2
0
0.4
(b)
0
10 20 30 40 50
試料台角度[ deg ]
垂直段差基板
Si(110)
0.2
0
60
1
10
(a)
8
0.8
0.6
6
4
被覆率
(a)平坦面
(b)側壁面
2
0
0.4
(b)
0
10 20 30 40 50
試料台角度[ deg ]
0.2
0
60
被覆率[側壁面膜厚/平坦面膜厚]
(a)
8
膜厚[ arb.]
1
膜厚[ arb.]
10
被覆率[側壁面膜厚/平坦面膜厚]
段差基板への膜厚シミュレーション
テーパ段差基板
Si(100)
9
新技術の成果(1):段差被覆
【段差側壁部のECR-SiO2電気絶縁性】
0
-2
-4
-6
-8
傾斜角度0°
傾斜角度30°
傾斜角度40°
傾斜角度50°
-10
-12
0
2
4
6
8
10
Electric field [MV/cm]
12
テーパ段差基板のI-V特性
Current density [ log ( I [A/cm2])]
Current density [ log ( I [A/cm2])]
垂直段差基板のI-V特性
0
-2
-4
-6
-8
基板傾斜角度0°
基板傾斜角度40°
基板傾斜角度50°
-10
-12
0
2
4
6
8
10
12
Electric field [MV/cm]
MIM capcitor : Si/Ru/SiO2/Al, SiO2 deposition : Room temperature
10
新技術の成果(2):光学薄膜
【Si系膜】
0.0006
0.0004
1.480
1.470
0.0002
1.460
0
-0.0002
1.450
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
Wavelength (nm)
[ECR-SiON]
Target : Si
Gas : Ar/(O2+N2)
Depo. : room temp.
1.9
Refractive index (n)
Refractive index (n)
1.490
Target: Si
Gas: Ar/O2
Depo. : room temp.
2.0
0.0008
Extinction coefficient (k)
1.500
[ECR-SiO2]
1.8
1.7
1.6
1.5
1.4
1.3
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Gas mixture [O2/(N2+O2) ] (%)
Si3N4
SiO2
11
新技術の成果(2):光学薄膜
0.0015
0.001
0.0005
0
1.65
0.002
2.35
2.30
Refractive index (n)
Refractive index (n)
1.70
Target : Al
Gas : Ar/O2
Depo. : room temp.
Extinction coefficient (k)
0.002
1.75
2.25
Target : Ta
Gas : Ar/O2
Depo. : room
temp.
Extinction coefficient (k)
[ECR-Ta2O5]
[ECR-Al2O3]
0.0015
0.001
2.20
0.0005
2.15
0
2.10
1.60
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
Wavelength (nm)
2.05
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
Wavelength (nm)
12
新技術の成果(3):誘電体薄膜
10
100
Relative Dielectric Constant
Leakage Current Density [A/cm2]
[ECR-SiO2 , ECR-Si3N4]
1
Si3N4
0.01
0.0001
10-6
SiO2
-8
10
10-10
0
2
4
6
8
10
Electric Field [MV/cm]
12
Si3N4
8
6
4
SiO2
2
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
Applied Voltage [V]
3
13
新技術の成果(4):Barrier薄膜
【ECR-Al2O3 の H2 バリア特性】
4
H2 SIMS Signal (log[I], arb.)
Ref(O2)
Al2O3(O)
3
Al2O3(M)
2
1
Al2O3(Sapphire)
SIMS
Al2O3(200nm)/Si
Target: Al, Gas: Ar/O2
Deposition: RT
Heat-treat
: 400℃x20min(H2)
0
0
100
200
Depth (nm）
14
新技術の成果(5):3次元構造化
【バイアスECRスパッタによる自己クローニング* 】
Substrate RF bias power
#13: Si
#11: Si
#9: Si
#7: Si
#5: Si
#3: Si
#1: Si
SiO2 pattern
Si(100)
#14: SiO2
#12: SiO2
#10: SiO2
#8: SiO2
material
Si
SiO2
SiO2
layer
all
2,4
6-14
RF bias
0W
25W
7.5W
#6: SiO2
#4: SiO2
#2: SiO2
Target: Si
Gas: Ar(20sccm) for Si
Ar/O2 (20/6sccm) for SiO2
Microwaves: 400W, target RF: 500W
Substrate holder: 140mm in diameter
* Self-cloning : S. Kawakami (Tohoku univ.), Shin-gaku-ron [C], J81C1, 573(1997)
15
新技術の成果(5):3次元構造化
【中空構造MEMSデバイス基本技術（１） 】
300μm
10μm
16
新技術の成果(5):3次元構造化
【中空構造MEMSデバイス基本技術（２） 】
【発明の名称】 「微小電気機械構造、その製造方法および微小電気機械素子」
【出願番号】 特願2006-51375（2006.2.27）
特開2007-229825（2007.9.13）
(a)
【発明者】 小野俊郎、豊田宏
（１）従来構造
パタン1(PR)
成膜1+エッチ
犠牲層1(PR)
基板(Si)
成膜2
(b)
はり
[断面]
アンカー
成膜2エッチ
ベース
(c)
（２）計画の構造
はり
[断面]
アンカー
(d)
ベース
ナノ薄膜構造はり
成膜2
(e)
(f)
（１）はり構造A
（２）はり構造B
犠牲層2(PR)
+エッチバック
犠牲層エッチ
（３）ハニカム構造ダイヤフラム
中空構造の展開例
パタン2(PR)
+成膜2エッチ
(g)
17
新技術の成果(5):3次元構造化
【光共振器変位計測型加速度センサ 】
【発明の名称】 「微小電気機械構造およびその製造方法」
【出願番号】 特願2008-008455（2008.1.17）
【発明者】 小野俊郎、豊田宏
光源
λm
λ1
λ/4多層膜
λ/4多層膜
ファブリペロー型光共振器を利用
(1)錘を有する自立多層膜ﾒﾝﾌﾞﾚﾝ
(2)錘が加速度を受けてﾒﾝﾌﾞﾚﾝが変位
(3)共振器厚さ=透過波長が変化
λ/2キャビティ層
=エアギャップ
λi
錘
光ファイバ
平面光波回路(PLC/AWG)
送信回路
処理回路
リニアPDアレイ
18
Evac.
RF
ECR1
Substrate
Target
TRC/LL
RF
ECR2
ECR-Ta2O5
10
2.5
8
2.4
6 6.81nm/min +/- 0.44% 2.3
2.2
4
2
2.171 +/- 0.1%
2.1
0
2.0
-10
-5
0
5
10
Position from center (cm)
Refractive index @632nm
Deposition rate (nm/min)
新技術の応用と展開(1)
Target : Ta
Gas : Ar/O2
Depo. : room temp.
MESアフティ（株）の好意による
Microwave
Microwave
19
新技術の応用と展開(2)
【応用用途】
★低温で高品質の薄膜が必要
★高絶縁・高誘電体薄膜、低損失光学薄膜
★３次元構造化（電気・機械特性）
【実用化展開】
★基礎研究から応用研究
○弘前大学に基礎技術資産
○実用装置が提供されている
★共同研究によるサンプル提供と共同評価
20
本技術に関する知的財産権
【発明の名称】 「微小電気機械構造、その製造方法
および微小電気機械素子」
【出願番号】 特願2006-51375（2006.2.27）
特開2007-229825（2007.9.13）
【出願人】 国立大学法人 弘前大学
【発明者】 小野俊郎、豊田宏
【発明の名称】 「微小電気機械構造およびその製造方法」
【出願番号】 特願2008-008455（2008.1.17）
特開
【出願人】 国立大学法人 弘前大学
【発明者】 小野俊郎、豊田宏
21
お問い合わせ先
弘前大学地域共同研究センター
産官学連携コーディネーター
野呂 治 （のろ おさむ）
TEL: 0172-39-3179
e-mail : [email protected]
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