Controls of nano defects in Silicon nitride films by using atomic hydrogen treatment

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幅広い工学分野で注目されているナノスケールシリコン窒化薄膜（窒化ケイ素薄膜）中の局所電子構造（電子捕獲型準位＝ナノ欠陥構造）の動的挙動を解明し、電子デバイスの超高信頼性化を実現することを目指し、本研究では独自のマイクロ波励起水素プラズマプロセスを用いた低温非平衡条件下で、シリコン窒化薄膜中のナノ欠陥構造と強い相関を持つとされる水素を制御することを目的に研究を進めている。2022年度では、濃度1.8E22/cm^3の水素を含む厚さ80nmのシリコン窒化薄膜を用いて、マイクロ波励起水素プラズマ処理を室温で行ったところ、シリコン窒化薄膜の表面10-20nmの範囲で水素濃度が低減し、その水素の起源はSi-H結合であることを実証した。さらに、同シリコン窒化薄膜表面にアルミ電極を形成し電気特性解析によるナノ欠陥構造の定量化を試みたところ、ホールの電気電導現象であるPoole-Frenkel電導に寄与するナノ欠陥構造のエネルギー準位がプラズマ処理時間の増加に伴い1eVから1.6eVまで深くなることが計測・解析より明らかになった。一方、ホール捕獲に寄与するナノ欠陥構造を調べるためにDCTS法(Discharging Current Transient Spectroscopy)を用いて評価・解析を行ったところ、シリコン窒化薄膜中のナノ欠陥構造のエネルギー準位、約0.8eVは変化しないが、その量（トラップ密度）がプラズマ処理時間の増加に伴い減少し、シリコン窒化薄膜のエッチング現象が観測されない最大処理時間9分で、約30％低減することが実証された。つまり2022年度では、目標とする原子状水素を用いてシリコン窒化薄膜中の水素の量や分布を独立制御可能であることを実証し、次年度に計画されていたシリコン窒化薄膜中の水素起因ナノ欠陥構造の欠陥エネルギー準位の変調が可能であることを前倒しで実証した。