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3
A会場(孔雀) 半
導
体
● プレゼン技術の概要Ar ガスの DCアーク放電により大気圧下で発生した熱プラズマジェットを用いて,ミリ秒からマイクロ秒の短時間で被処理基板表面を局所的に加熱する技術を開発した。新開発の非接触温度測定技術との併用により高精度急速熱処理が可能である。電界効果移動度 350cm2V-1s-1 の高性能 TFT,透明材料であるゲート SiO2 改質によるデバイス信頼性の向上,ULSI における極浅接合形成,ナノ結晶形成などに適用可能である。
● 従来技術・競合技術との比較従来急速熱処理に用いられてきたレーザーに比べて格段に簡単な構造および低コストで大出力が得られる。光を用いた熱処理では対応できなかった極薄膜や透明材料に対しても効率的加熱が可能である。
● プレゼン技術の特徴・簡単,安価な大気圧プラズマを用いたプロセス・被処理物の最表面のみを局所加熱・極めて清浄なプロセスであり半導体デバイスへも適用可能
● 想定される用途・表面改質(焼締め,結晶化,ドーピング,相分離,等)
大気圧熱プラズマジェットを用いた急速熱処理技術と半導体デバイス応用
10:45~11:10
広島大学
大学院先端物質科学研究科 半導体集積科学専攻
教授 東 清一郎
1
大気圧熱プラズマジェットを用いた大気圧熱プラズマジェットを用いた急速熱処理技術と半導体デバイス応用急速熱処理技術と半導体デバイス応用
1
広島大学大学院先端物質科学研究科広島大学大学院先端物質科学研究科
教授教授 東東 清一郎清一郎
技術開発の背景技術開発の背景■大面積エレクトロニクス、大規模集積回路
⇒ディスプレイ、太陽電池、先端LSI
結晶成長、接合形成、絶縁膜形成(パシベーション)
■技術課題
ガラス等低の耐熱性基板への熱的負荷を抑制しつつ、表面のみを
2
ガラス等低の耐熱性基板への熱的負荷を抑制しつつ、表面のみを局所加熱する低コスト急速熱処理技術が必要不可欠
■従来技術とその問題点
レーザーアニール(パルスレーザー、CWレーザーなど)
>高コスト(初期コスト、ランニングコスト)大面積化が困難
>モニタリング技術(温度測定など)が無い
>透明材料は熱処理不可
シリコンシリコン系薄膜の応用例系薄膜の応用例
●有機ELディスプレイ ●太陽電池
3
●ドライバー内蔵液晶ディスプレイ大面積G7 1870mm×2200mm
Giant Microelectronics (TFTs, Solar Cells) Key Process in TFT Fabrication
MobileMobile TerminalsTerminals FlatFlat TVsTVs
OLEDLCD
急速熱処理の重要性(1)急速熱処理の重要性(1)大面積エレクトロニクスにおいて大面積エレクトロニクスにおいて……
4
Excimer Laser Anneal (ELA)Excimer Laser Anneal (ELA)~100ns
Issues;> Limit in Output Power (~300W)> Running Cost
ThinThin FilmFilmSolarSolar CellsCells
LowLow TemperatureTemperature ProcessedProcessedPolycrystallinePolycrystalline SiSi (LTPS)(LTPS)
低温低温結晶化、ゲート絶縁膜形成結晶化、ゲート絶縁膜形成およびおよびドーピングドーピング技術への要求技術への要求
ULSI Process : Ultra Shallow JunctionSuppression of short channel effect (SCE)
急速熱処理の重要性(2)急速熱処理の重要性(2)ULSIの基本素子であるMOSFET作製において…
5
http://www.hitachihyoron.com/2007/04/pdf/04a01.pdf
spike RTAspike RTA
FLA (FLA (FFlash lash LLamp amp AAnneal)nneal)
LSA (LSA (LLaser aser SSpike pike AAnneal)nneal)
1s
1ms
1μs
2007
Year of Year of productionproduction
Annealing Annealing TechnologyTechnology
DRAM ½ pitch DRAM ½ pitch (nm)(nm)
MPU MPU LLGateGate(nm)(nm)
J. Depth J. Depth xxjj(nm)(nm)
Max. Max. RRss((ΩΩ/sq.)/sq.)
65 25 7.5 640
2010 45 18 6.5 650
2012 36 14 4.5 593
Annealing Annealing DurationDuration
Suppression of dopant diffusionLow Rs & Rcont High efficiency activation
極浅接合形成技術極浅接合形成技術およびおよび温度測定技術温度測定技術への要求への要求
エキシマレーザーアニール(エキシマレーザーアニール(ELAELA))
XeClエキシマレーザー λ= 308 nm
poly-Si膜
6
p y
レーザー発振時間:~数10nsSi膜は1414℃以上に達するも、実効的に低温プロセス
ガラス基板
SiO2
a-Si
2
エキシマレーザーアニール(エキシマレーザーアニール(ELAELA)の課題)の課題
• プロセスウインドウが狭い
• TFT特性のバラツキが大きい
• 装置価格およびランニングコストが高い>ハロゲンガスによるレ ザ チ ブの消耗 エキシマレ ザ 発振器
7
>ハロゲンガスによるレーザーチューブの消耗(要交換作業)
>チューブ交換に伴うダウンタイム
ガラス基板の大面積化と共に高コスト化
ELAに代わる低コストな超急速熱処理技術が強く求められている
エキシマレーザー発振器 erat
ure
(eV)
104
106
108
1
102
104
erat
ure
(K)
FusionPlasma
Inter PlanetPlasma
GlowDischargePlasma
Solar Corona
ThermalThermalPlasmaPlasma
熱プラズマの急速熱処理応用熱プラズマの急速熱処理応用
高密度
~1019 cm-3
高温10000 ~ 20000 K
簡単な構造で発生可能
なぜ熱プラズマか?なぜ熱プラズマか?
8
Tem
pe
102011
102
10
104 108 1012 1016
Plasma Density (cm-3)
10-2
10-4
Tem
pe InterStellarPlasma Ionosphere]
FlamePlasmaPlasma
各種プラズマの密度と温度菅井秀郎編著 「プラズマエレクトロニクス」オーム社より
熱プラズマは急速熱処理熱プラズマは急速熱処理の熱源として高い可能性をの熱源として高い可能性を秘めている秘めている
簡単な構造で発生可能
DC、RF放電
熱移送が可能
ジェット形成
装置設計上のポイント=電極冷却装置設計上のポイント=電極冷却
電極冷却
ArAnode (Cu)
Cathode (W)
cooling water
熱ピンチ効果による高パワー密度化
電極材料による汚染の抑制
13~16 V、150 A
9
glass substrate
poly-Sithermal plasma jetcooling water
a-Si film
抑制
安定放電の持続
300~4000 mm/s
ミリ秒時間分解非接触温度測定法ミリ秒時間分解非接触温度測定法Application of TPJ to RTAApplication of TPJ to RTA Oscillation in Transient ReflectivityOscillation in Transient Reflectivity
0
10
Ref
lect
ivity
(%)
Time (ms)0 2010 30 40
p = 2.25 kWf = 9.8 L/mind = 3.0 mmv = 550 mm/s
Origin of the OscillationOrigin of the Oscillation
Ar : f (L/min)
cathode (W)
anode (Cu)
insulator
cooling water
DC power supply : p (kW)
gap : d (mm)
thermal plasma jet (TPJ)
10
(before annealing)
(during anneaing)
5102.1 −×=dTdnQ
R′
dnQ′
R
dnQQuartzscan : v (mm/s)
substrate
photodiode
motion stage
filterbeamsplitter
probe CW laser
DCアーク放電熱プラズマジェットによるミリ
秒急速熱処理実験の概略図.基板背面の光学系により温度測定をおこなう
Procedure of AnalysisProcedure of Analysis
Optical Simulation>
> Multiple reflection and interference
( )CTnQ °×+= −5102.15.1
2-d Heat Diffusion Simulation> Effective power transfer efficiency : η (%)> Width of plasma jet : w (mm)
J. H. Wray, et.al. J. Opt. Soc. Am 59 (1969) 774.
Comparison with Experimental Result
T. Okada, et.al. Jpn. J. Appl. Phys. 45 (2006) 4355.
Temporal Variation of TemperatureTemporal Variation of Temperature
600
900
1200
1500
1800
Tem
pera
ture
(K)
0 (surface)
50
depth (μm)
100200
300 500
p = 2.25 kWf = 9.8 L/mind = 3.0 mmv = 550 mm/s
実時間反射率による温度測定実時間反射率による温度測定
11
Temperature Profile
0
10
0
10
0
10
Ref
lect
ivity
(%)
Time (ms)0 2010 30 40
measuredsimulated
v = 900 mm/s
700 mm/s
550 mm/s
R
Position (mm)
Dep
thFr
omSu
rfac
e(μ
m)
0 5 10
0
100
200
0
100
200
0
100
200
T (K)16001200800400
Plasma Jet
v=900 mm/s
700 mm/s
550 mm/s
(a) (b) 3000 20 40 60 80 100 120
Time (ms)
A Noncontact A Noncontact Temperature Temperature Measurement Measurement Technique with Technique with Millisecond Time Millisecond Time Resolution has been Resolution has been SuccessfullySuccessfully
Accuracy < 30 K Accuracy < 30 K @~1670K@~1670K
従来法(石英基板)との違い従来法(石英基板)との違い
プローブレーザの選択
近赤外光近赤外光
例:例:1.3~ 1.5 1.3~ 1.5 μμmm前後前後
石英石英 SiSi
SiSiウエハへの適用ウエハへの適用
可視光可視光
例:例:0.5~ 0.6 0.5~ 0.6 μμmm前後前後
Accuracy of Temperature AnalysisAccuracy of Temperature Analysis
0
0
0.5
1
5 10 15 20Time (ms)
500 mm/s
12
熱物性値
熱伝導率 (Wcm-1K-1)
屈折率温度係数 (K-1)
石英石英 SiSi
2.2X102.2X10--22
1.3X101.3X10--55
3.3X103.3X10--11
1.4X101.4X10--44
Siウエハの方が超高感度測定可能
基本的には全く同じ原理で温度測定が可能
Tmax +0.6/- 1.2 KHigher Sensitivity is expected in the case of Si waferHigher Sensitivity is expected in the case of Si wafer
Δ R > 50 %
16 17 18 19 20Time (ms)
15
0
0.5
1
Observed
510.05 K (best fitting)508.84 K
510.65 K
500 mm/s
理想的には理想的には±±11KKの温度精度、の温度精度、サブミリ秒の温度測定が可能サブミリ秒の温度測定が可能
3
熱プラズマジェット照射による熱プラズマジェット照射によるaa--SiSi膜の結晶化膜の結晶化
Crystallinity & Process WindowCrystallinity & Process Window
terin
g In
tens
ity (a
rb. u
nits
)
c-Si TO
a-Si TO
v (mm/s) 550650800
1000
p = 2.40 kWtSi = 80 nm
(a)
200 nm0
3.6 nm(b)
0
20.6 nm
200 nm
Surface MorphologySurface Morphology
13
400450500550Raman Shift (cm-1)
Scat
t as deposited
1.5
2
2.5
0 200 400 600 800 1000
Inpu
t Pow
er p
(kW
)
Scan Speed v (mm/s)
film stripped
amorphous
crystallized
0 nm 0 nm(b) Melting and Resolidificationd=300~600 nm, RMS= 3.4 nm
a-Si
poly-Si
(a) Solid Phase Crystallizationd=20~30 nm, RMS=0.5 nm
Crystallization by Step & Repeat MethodCrystallization by Step & Repeat Method
固相成長を用いた高均一固相成長を用いた高均一TFTTFTの作製の作製Transfer Curves of 50 TFTs in 3mm X 2 mm area
14
固相結晶化(固相結晶化(SPCSPC)と溶融横成長)と溶融横成長Plan View TEM Observation Zone Melting Condition
a-Simolten Si
large grain Si
TPJ
15
~20nm程度の微結晶
ランダム配向のため、異方性がなく均一な結晶
画素駆動に適した高均一TFTを作製可能
ロジック回路向け高性能TFTや太陽電池向け
超高速横成長による大粒径(~60μm)結晶
超高速溶融横成長結晶による超高速溶融横成長結晶によるTFTTFT
16SPCより100倍以上高移動度のTFTを作製可能
超高速溶融横成長による厚膜結晶化超高速溶融横成長による厚膜結晶化
17
基板材料の熱伝導率と加熱特性基板材料の熱伝導率と加熱特性
18
4
超高パワー熱プラズマジェットの発生超高パワー熱プラズマジェットの発生高パワー密度化へのキーポイント:アークギャップ
19
極浅接合形成実験極浅接合形成実験イオン注入したAsの活性化
20
熱処理プロファイルと不純物拡散熱処理プロファイルと不純物拡散
熱プラズマジェット発生装置設計上のポイント
21
新技術の特徴・従来技術との比較新技術の特徴・従来技術との比較• ミリ秒時間分解の非接触温度測定技術の開発に初めて成功した
• 大気圧熱プラズマジェットが下記半導体プロセスへ適用可能であることを実証した
アモルファスSi膜の結晶化
不純物活性化と接合形成
絶縁膜改質
大気圧プラズマの特徴である大気圧プラズマの特徴である
22
大気圧プラズマの特徴である大気圧プラズマの特徴である
・簡単・便利・安価
高制御性、高信頼性プロセスを構築可能!高制御性、高信頼性プロセスを構築可能!
半導体プロセスの革新的低コスト化を達成!半導体プロセスの革新的低コスト化を達成!
を維を維持しつつ持しつつ
想定される用途想定される用途
• あらゆる基板の熱処理中の温度モニタリング
>ガラス基板、シリコンウエハ、etc.>プラズマCVD中の基板温度モニタ等
• 材料を問わず最表面のみを局所加熱する用途
23
材料を問わず最表面のみを局所加熱する用途
>金属、半導体、絶縁体、etc.• 半導体デバイス作製プロセス応用
>TFT、ULSI、太陽電池、etc.
想定される業界想定される業界
想定されるユーザー
熱処理装置メーカー
成膜装置メーカー
24
成膜装置メ カ
フラットパネルメーカー
太陽電池メーカー
半導体メーカー
5
実用化に向けた課題実用化に向けた課題
• 非接触温度測定技術の実用装置への組み込み(ハードウエアおよびソフトウエア開発)
• 大面積対応マイクロ熱プラズマジェット発生
25
装置の開発
• 共同研究を希望される企業を募集
本技術に関する知的財産権本技術に関する知的財産権
• 発明の名称 :「温度測定方法、温度測定装置及びこれを用いた熱処理装置」
• 出願番号 :PCT/JP2006/313304
26
• 出願番号 :PCT/JP2006/313304• 出願人 :国立大学法人広島大学
• 発明者 :東 清一郎
※特許出願から1.5年未満の未公開特許情報を含んだ説明会ですので、情報の取り扱いに十分ご注意下さい。公開する情報の範囲につきましては、特許出願人(知財本部等)とご相談ください。
740 760 780 800 820 840
751.5
763.5
772.4 794.8801.5
811.5
826.5
840.8842.5
0
40000
80000
120000
160000
Emis
sion
Inte
nsity
(a.u
.)
Optical emission spectrum of thermalplasma jet.Most of the significant lines are identified to beemission from Ar atoms as indicated in the inset.From the Boltzmann’s plot of the Ar lines, thetemperature of the plasma was roughly estimated tobe 8300 K.
電極材料による汚染の調査(1)電極材料による汚染の調査(1)Strong Emission Lines From Atomic Ar are Observed in NIRStrong Emission Lines From Atomic Ar are Observed in NIR
27
0200 300 400 500 600 700 800 900
Wavelength (nm)
0
10000
20000
30000
300 350 400 450 500 550
Emis
sion
Inte
nsity
(a.u
.)
Wavelength (nm)
324.8 nm (g)
510.6 nm
Emission Lines Cu I
521.8 nm
Identification of emission lines from Cu inthermal plasma jet.No emission lines from Cu was observed inthe optical emission spectrum of thermal plasma jet.
No Emission Lines From Cu was DetectedNo Emission Lines From Cu was Detected
• Total Reflection X-Ray Fluorescence (TXRF)
電極材料による汚染の調査(2)電極材料による汚染の調査(2)
Ato
mic
Den
sity
(cm
-2)
Detection Limit
0 nm
Mn, Zn, Mo, Pd, Sn, Ba, As, Rb wereBelow Detection Limit.
28
SiO2 SiO2 Glass Sub.
• Secondary Ion Mass Spectroscopy (SIMS)
Cu、Wによる汚染は認められない
熱プラズマジェット発生装置設計上のポイント熱プラズマジェット発生装置設計上のポイント
高周波放電か、直流放電か?
熱ピンチ効果
29
処理対象(半導体)への汚染 パワー密度
高周波放電(誘導結合型) 直流放電(アーク放電)
熱プラズマ照射条件と基板表面温度熱プラズマ照射条件と基板表面温度
300500700900
1100130015001700
0 20 40 60Surf
ace
Tem
pera
ture
(K)
Time (ms)
1.5 mm3 mm
5 mm
Plasma-SubstrateGap d (mm)
300500700900
1100130015001700
0 20 40 60Surf
ace
Tem
pera
ture
(K)
Time (ms)
500 900
1200
Scan Speed v (mm/s)
1800
5
6
ce
K)
Annea
p = 2.20 kWf = 9.8 L/mind =3.0 mm 1600
1800
5
6
ce
K)
Annea
p = 2.20 kWv = 500 mm/s
: f = 9.8 L/min: f = 4 2 L/min
Scanning Speed (Scanning Speed (vv) Dependence) Dependence PlasmaPlasma--Substrate Gap (Substrate Gap (dd) and Ar Flow Rate () and Ar Flow Rate (ff) ) Dependence under constant Dependence under constant vv of 500 mm/sof 500 mm/s
30
1200
1400
1600
0
1
2
3
4
400 600 800 1000 1200
Max
imum
Sur
fac
Tem
pera
ture
(K
aling Duration (m
s)
Scan Speed v (mm/s)
1000
1200
1400
0
1
2
3
4
1 2 3 4 5
Max
imum
Sur
fac
Tem
pera
ture
(K
aling Duration (m
s)
Plasma-Substrate Gap d (mm)
: f = 4.2 L/min
d (mm)1.53.05.0
T max (K) ta (ms) Rh (x105 K/s) Rc (x105 K/s)178114881266
2.62.83.0
3.872.932.23
1.471.000.69
Characteristic Values of TPJ Annealing at Different Gap (Characteristic Values of TPJ Annealing at Different Gap (dd))
6
半導体プロセスへの応用例半導体プロセスへの応用例低温製膜したアモルファス低温製膜したアモルファスSiSi膜への熱プラズマジェット照射膜への熱プラズマジェット照射
a-Si堆積
Anode (Cu)
Cathode (W)
プラズマCVD
ICP CVD
SiH H
31
glass substrate
poly-Sithermal plasma jet
Arcooling water
a-Si film
SiH4 + H2
250℃
3
10-2
10-1 300 350 400
ivity
(S/c
m)
Laser Energy Density (mJ/cm2)
: as crystallized
10-1
100
101 300 350 400
vity
(S/c
m)
Laser Energy Density (mJ/cm 2)
: as crystallized: Hydrogenated
熱プラズマジェット結晶化熱プラズマジェット結晶化SiSi膜中の欠陥膜中の欠陥
Electrical conductivity of TPJ & ELA crystallized Si films before and after hydrogenation
100nm
2.6
0
(a)
RMS=0.4 nm
100nm
12.8
0
(b)
RMS=2.4 nm
Defect Reduction by Hydrogen Plasma Treatment @ 250C, 60sDefect Reduction by Hydrogen Plasma Treatment @ 250C, 60s
AFM images of (a) TPJ & (b) ELA crystallized Si films
Average P Concentration : 4.3 x 10Average P Concentration : 4.3 x 101717 cmcm--33
32
10-6
10-5
10-4
10-3
1300 1400 1500Elec
tric
al C
ondu
cti
Maximum Surface Temperature (K)
TPJ
ELA
10-6
10-5
10-4
10-3
10-2
1300 1400 1500Elec
tric
al C
ondu
cti
Maximum Surface Temperature (K)
TPJ
ELA
> TPJ Crystallized Films Have Lower Defect Density Compared > TPJ Crystallized Films Have Lower Defect Density Compared to ELA Filmsto ELA Films
Spin density NS in TPJ & ELA crystallized Si films
1017
1018
1019
1450 1500
200 250 300 350
Spin
Den
sity
Ns (c
m-3
)
Maximum Surface Temperature Tmax
(K)
Laser Energy Density (mJ/cm2)
ELA
TPJ
RC~1010
K/s
RC~105
K/s
ELAELA
TPJTPJ
熱プラズマジェットによるドーピング熱プラズマジェットによるドーピングDoped aDoped a--Si Films Deposited by PECVD of SiHSi Films Deposited by PECVD of SiH44+PH+PH33+H+H22 @ 250C and Crystallized by TPJ@ 250C and Crystallized by TPJAverage P Concentration in aAverage P Concentration in a--Si Film ; 1.0, 2.0, and 3.9%Si Film ; 1.0, 2.0, and 3.9%
Electrical conductivity of TPJ crystallized doped Si films as functions of annealing temperature Tmax.
Carrier concentration in TPJ crystallized doped Si films as functions of annealing temperature Tmax.
33
With increasing With increasing TTmaxmax, the resistivity decreases as , the resistivity decreases as low as low as 7.3X107.3X10--44 ΩΩcm (94 cm (94 ΩΩ/sq.)/sq.)
High carrier concentration of High carrier concentration of 8.7 x 108.7 x 102020 cmcm--33 is is achieved via solid phase crystallization (SPC).achieved via solid phase crystallization (SPC).
Vthシフト及びΔオン電流 ΔS値及びΔμFEStress Condition: Vg = 1.7 ~ 3.0 V, Vd = 20 V
ストレス印加時間依存性
34
5.8 V
0.8 V
After stress application of 10000 s
W/O TPJ Annealing
With TPJ Annealing
Vth SHIFT Id(stressed)/Id(initial) ΔS ΔμFE
19 %40 % 69 %
96 % 13 % 92 %
熱プラズマジェット処理による熱プラズマジェット処理によるSiOSiO22膜の膜の化学結合状態変化化学結合状態変化
35
Si-OH結合からの脱水架橋反応により膜のち密化が進行し、いわゆる焼締め効果が得られた
TPJ+PMAPMAStress Condition: Jst = 100 pA (Eox = 8.5 MV/cm)
定電流ストレス印加前後の定電流ストレス印加前後のMOSMOSキャパシタのキャパシタのCC--VV特性特性
36
TPJ+PMA
PMA処理のみに比べ膜質劣化を圧倒的に抑制
7
Stress Condition: Vg = 57 ~ 59 V
高電界高電界ストレス印加前後のストレス印加前後のTFTTFTののIIdd--VVgg特性特性
37SiO2膜中の欠陥への電子トラップ
W/O TPJ Annealing
ストレス印加後のId-Vg特性が正方向へ平行シフト
With TPJ Annealing
SiO2膜の化学結合状態の改善による電子トラップの抑制
Stress Condition: Vg = 1.7 ~ 3.0 V, Vd = 20 V
L/W = 20 μm/50 μmL/W = 20 μm/50 μm
ホットキャリアホットキャリアストレス印加前後のストレス印加前後のTFTTFTののIIdd--VVgg特性特性
38
W/O TPJ Annealingストレス印加後のオン電流が低下
SiO2/μ-Si界面へのホットキャリア (ホットエレクトロン) 注入
With TPJ Annealing
SiO2/μ-Si界面準位密度の減少によるキャリアトラップの抑制
加熱冷却速度制御の重要性加熱冷却速度制御の重要性BおよびAsでの活性化の違い
(c)
(a)
39
(b)(d)
(c)