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早稲田大学 ナノ理工学研究機構
義人、関口 哲志、平岩 篤、川原田 洋
Institute for Nanoscience & Nanotechnology,
Waseda University
○Yoshito Nozaki, Tetsushi Sekiguchi, Atsushi Hiraiwa,
Hiroshi Kawarada
○野崎
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TMA＋ H2O
(Al(CH3)3) O3
はじめに
⇒ Al2O3＋CH4
パージ
TMA 供給
1 サイクル
酸化剤(H2OまたはO3) 供給
パージ
アルテック社 HPより
TMA(Trimethylaluminium):
http://www.ksv.jp/picosun/
トリメチルアルミニウム 2
実験方法


成膜
成膜装置：Picosun社製 SUNALE TM R150 ALD
基板
φ100mm c-Si(100) (比抵抗2-4Ω・cm)
(膜厚 屈折率 表面 分析)
② 20mm×20mm c-Si(100) (比抵抗0.002-0.004Ω・cm)
(絶縁性)
①

成膜温度
300℃ (膜厚 屈折率 表面 分析)
② 350℃ (絶縁性)
①


原料：TMA
酸化剤：H2OまたはO3
実験方法

評価
測定装置：分光エリ
プソメーター
M-240(日本分光)




入射角：60°
波長範囲：300-800
nm
波長間隔：2 nm
解析：Cauchy(透明)
モデル 1層(Al2O3
のみ) 吸収なし
ALD装置写真
3
膜厚、屈折率

測定装置：分光エリプ
ソメーター
UVISEL/IR-AGMS(堀
場製作所)
入射角：75°
波長範囲：190-2100
nm
 波長間隔：0.05 eV
 解析：Lorentz振動子
モデル 2層(SiO2と
Al2O3) 吸収あり


4
実験方法
評価
絶縁性

＋

マスク
Ti/Au
マスク
Al2O3(20 nm)

Si(525μm)
Ti(10 nm)/Au(1μm)
ステンレス製マスクを作製し、
Al2O3膜表面にマスクスパッタリ
ングにより、Ti(10nm)/Au(1μm)
電極を作製。
基板裏面にはArイオンミリング
により回り込んだAl2O3膜を除去
後、スパッタリングによりTi/Au
裏面電極を作製。
絶縁性は裏面電極をグランドと
し、半導体パラメータアナライ
ザ4200-SCS(ケースレー)により、
電極に＋電位を与えて電流値を
計測。
Ar イオンミリング
サンプル写真
実験方法
評価
5
絶縁性
50μm×50μm
75μm×75μm
200μm×200μm
300μm×300μm
600μm×600μm
1mm×1mm
電極の寸法図
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実験方法

評価
FE-SEM SU8240(日立
ハイテク)
表面状態

 コーティング：なし
 加速電圧：2 kV
 Z方向位置：1.5 mm
 ワーキングディスタ
ンス： 2.4-2.7mm
 倍率：200 k倍
SPM-9600(島津製作所)
 モード：ダイナ
ミックモード
 スキャンサイズ：
1μm×1μm
 スキャンスピー
ド：1 Hz
 Z方向レンジ：
1-5 nm
7
実験方法
評価
分析
成膜前処理：0.5% フッ酸水溶液 1.5 分
⇒水洗⇒スピンドライ
 GD-OES JY 5000RF(堀場製作所)

 モード：パルスモード
 分析時間：45秒
 測定間隔：0.02秒
 分析元素：C, H, Si, O, Al
 Al2O3標準試料により検量線を作成して定量
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結果 ALDサイクル数と膜厚
成膜速度はO3酸化と比べて
H2O酸化のほうが早い。
Fig.1
Al2O3 Thickness vs Number of ALD Cycles
Using H2O and O3 as Oxidant Source.
成膜速度
H2O酸化：0.08nm/Cycle
O3酸化：0.06nm/Cycle
S-C. Ha, et al.
“Influence of oxidant
source on the property
of atomic layer
deposited Al2O3 on
hydrogen-terminated
Si substrate”, Thin
Solid Films (2005) 9
結果 絶縁特性
絶縁破壊強度
H2O酸化：7.7 MV/cm
O3酸化：8.2 MV/cm
1.44E-02
A/cm2
1.85E-06
2
絶縁膜の性能としてはH
A/cm
2O酸化よりも
O3酸化のほうが優れている。
Al2O3 Thickness=20nm
Fig.2 Current-Voltage Characteristics Using
H2O and O3 as Oxidant Source.
齊藤ら,“絶縁性と
耐環境性に優れた
原子層堆積
(ALD)Al2O3膜によ
る水素終端ダイヤ
モンド表面の保
護”, 春季第60回
応用物理学会
(2013)
10
考察 絶縁特性の違い
Ti/Au
Al2O3(20 nm)
Si(525μm)
Ti(10 nm)/Au(1μm)
Y. Shen, et al. “Excellent insulating
behavior Al2O3 thin films grown by
atomic layer deposition efficiently at
room temperature”, Optoelectronics
and advanced materials-Rapid
communications (2012)
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結果 Al2O3膜の表面の観察
H2O
O3
SEM
H2O酸化とO200
nm
200 nm
3酸化で絶縁性が異なる原因は
Al2O3膜の表面の差ではない。
H2O
O3
AFM
Ra=0.344 nm
Ra=0.388 nm
Fig.3 SEM and AFM Image of Al2O3 Layer Surface
on Silicon Using H2O and O3 as Oxidant Source.
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考察 絶縁特性の違い
Ti/Au
Al2O3(20 nm)
Si(525μm)
Ti(10 nm)/Au(1μm)
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結果 Al2O3膜の分析
Ar イオン
Al2O3
実線：H2O酸化
破線：O3酸化
Si
H2O酸化とO3酸化で絶縁性が
異なる原因は膜中の酸素量の違いではない。
Fig.4 GD-OES Analysis Profile of Al2O3 Layer on
Silicon Using H2O and O3 as Oxidant Source.
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結果 Al2O3膜厚と屈折率
屈折率はH2O酸化とO3酸化で
差は見られない。
膜厚が薄くなるに従い、
屈折率は大きくなり、ばらつきも大きくなる。
Fig.5 Refractive Index vs Al2O3 Thickness
Using H2O and O3 as Oxidant Source.
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考察 屈折率の測定、解析条件
Table. 1 Comparison of Measurement and Analysis
Conditions for Spectroscopic Ellipsometry (SE)
Item
M-240
(日本分光)
UVISEL/IR-AGMS
(堀場製作所)
Incidence
Angle
60°
75°
Spectrum
Range
300-800 nm
190-2100 nm
Model
Cauchy（透明）
Lorentz振動子
Number of
Layers
1 Layer
2 Layers
Optical
Absorption
None
SiO2:None
Al2O3:Weak Absorption
Al2O3
Si
Al2O3
SiO2
Si
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結果 測定装置と屈折率
屈折率は膜厚が薄い範囲(10-50nm)で
分光エリプソメーターの装置間差がある。
Fig.6 Refractive Index vs Al2O3 Thickness
Using M-240 and UVISEL as SE.
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まとめ
ALD法によって成膜されたAl2O3膜は酸化剤としてH2Oを使用
した場合とO3を使用した場合とで成膜のされ方、絶縁特性が
異なる。
 絶縁特性が異なる原因として膜表面の状態や膜内部の酸素の
量が異なると考え、検討したが差が見られなかった。
 Al2O3膜の屈折率についてはH2O酸化とO3酸化では差が見られ
なかった。
 屈折率は膜厚が薄い範囲(10-50nm)で分光エリプソメーター
の装置間差があることがわかった。

今後の課題
Al2O3膜とSiの界面に着目し、絶縁性が異なる原因を追及する。
 屈折率の装置間差についてはどちらの屈折率が正しいのかを
誘電率の評価やXRRによる密度の評価で検証する。

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謝辞
本研究は下記の支援を受けて行われた。
ここに感謝の意を表します。
 文部科学省 ナノテクノロジープ
ラットフォーム事業 微細加工プ
ラットフォームコンソーシアム
 文部科学省「低炭素社会構築に向け
た研究基盤ネットワーク整備事業」
(LCnet)
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