【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.04.11】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
24AT5037
利用課題名 / Title
絶縁膜の評価
利用した実施機関 / Support Institute
産業技術総合研究所 / AIST
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
外部利用/External Use
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）計測・分析/Advanced Characterization（副 / Sub）-
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）高度なデバイス機能の発現を可能とするマテリアル/Materials allowing high-level device functions to be performed（副 / Sub）-
キーワード / Keywords
陽電子消滅, 絶縁膜
利用者と利用形態 / User and Support Type
利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)
上殿 明良
所属名 / Affiliation
つくばマテリアルリサーチ株式会社
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
満汐孝治
利用形態 / Support Type
（主 / Main）技術代行/Technology Substitution（副 / Sub）-
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
AT-501：陽電子プローブマイクロアナライザー(PPMA)
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
TiN(20 nm)/Si基板上に成膜した厚さ4－30 nmのHfO2膜中の空隙を陽電子プローブマイクロアナライザー(PPMA)で検出、評価した。得られた陽電子寿命と第一原理計算を用いた陽電子消滅シミュレーションの結果から、主な欠陥はHf空孔と酸素空孔の複合体であることが分かった。膜厚が薄く、アモルファス状態のHfO2膜の場合、結晶化に空孔クラスターの密度の増大を伴うことが分かった。
実験 / Experimental
原子層堆積法（ALD）によりTiN(20 nm)/Si基板上に4－30 nm膜厚のHfO2膜を成膜した。X線回折により、30 nmの膜厚のHfO2膜は結晶化が起こっているが、膜厚が薄くなるに従い、アモルファス状態になっていることを確認した。HfO2膜のHFによるエッチング速度を測定したところ、結晶化した膜ではエッチングが生じないが、膜厚が薄くなるほどエッチング速度が速くなることが分かった。特にHfO2/TiN界面に近づくほど、エッチング速度の低下が起こることから、結晶化は、HfO2/TiN界面から生じていると考えられる。これらを真空中で900℃まで焼鈍した試料も作成した（焼鈍時間：20分）。これらの試料について、陽電子プローブマイクロアナライザー(PPMA)を用いて陽電子寿命を測定した。得られた陽電子寿命スペクトルを、陽電子消滅様式が2成分であると仮定して解析した。得られた陽電子寿命と第一原理計算を利用した陽電子消滅シミュレーションを比較することにより、膜中の欠陥種を同定した。
結果と考察 / Results and Discussion
HfO2膜厚が30 nmの試料について、得られた陽電子寿命はτ1＝0.26 ns及びτ2＝0.53 nsであった。また、第二成分（I2）の強度は8.4 %であった。上記シミュレーションの結果から、第1成分は、Hf空孔（VHf）ないしは酸素空孔（VO）の複合体に陽電子が捕獲された結果であると判断される。また、第2成分については、空孔クラスターが原因であると推定される。一方、HfO2膜厚が6 nmの試料について、陽電子寿命はτ1＝0.29 ns及びτ2＝0.54 nsであった。また、第二成分（I2）の強度は8%であった。HfO2（30 nm）膜厚の結果との比較から、結晶化が生じた膜では空孔サイズが減少する傾向にあると考えられる。膜厚6 nmのHfO2膜では、900℃までの焼鈍により、陽電子寿命の大きな変化は生じなかったが、500℃焼鈍後、I2の値が増大した。また、この温度で結晶化が生じたことから、結晶化に伴い空孔クラスターの密度が増大すると結論できる。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
成果発表・成果利用 / Publication and Patents
論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
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Akira Uedono, Vacancy-Type Defects in HfO2 Layers and Their Role in Amorphous-to-Crystalline Transition Studied by Monoenergetic Positron Beams, IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing, , 1-1(2025).
DOI: 10.1109/TSM.2025.3548450
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
- A. Uedono, K. Kawakami, T. Kuribara, R. Hasunuma, Y. Harashima, Y. Shigeta, Z. Ni, Y. Ruolin, H. Nakamura, A. Notake, T. Moriya, K. Michishio, and S. Ishibashi, “Vacancy-type defects in thin HfO2 layers probed by monoenergetic positron beams”, Int. Sym. On Semiconductor Manufacturing, Tokyo, Japan, 9 Dec. 2024.
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件