【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.04.28】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
24UT0349
利用課題名 / Title
CVD法及びALD/ALE法を利用した次世代半導体デバイス用薄膜成長プロセスに関する研究
利用した実施機関 / Support Institute
東京大学 / Tokyo Univ.
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)
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
チップレット/ Chiplet,高品質プロセス材料/技術/ High quality process materials/technique,先端半導体（超高集積回路）/ Advanced Semiconductor (Very Large Scale Integration),電子分光/ Electron spectroscopy
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)
大高 雄平
所属名 / Affiliation
東京大学工学系研究科マテリアル工学専攻
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
佐藤 颯基
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
沖津 康平
利用形態 / Support Type
（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）,技術補助/Technical Assistance
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
UT-308：多機能走査型X線光電子分光分析装置(XPS)with AES
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
ULSIの高集積化・高性能化を実現するために、二次元的な微細化・高集積化からICチップを積層する三次元立体集積化（3DIC）が注目されている。3DICは発熱密度が増加し、動作不良を引き起こす高温になりやすいことが課題である。3DICを構成するシリコン貫通孔（TSV）に形成されるSiO2膜は熱伝導率が低く、放熱のボトルネックとなるため、熱伝導率の高いAlN膜に代替することを検討する。3DIC相互接続用TSV側壁やモールディング（チップ間）埋込には優れた段差被覆性と高速性が必要なため、段差被覆性に優れ、高速化が期待できるCVD手法が必須となる。デバイス劣化を防ぐ400 ℃以下にて、アスペクト比3～10程度に対して均一（被覆率90%程度）かつ高速（10 nm/min以上）に100 nm程度の製膜が可能なCVDプロセスの構築を目標とした。 一般に窒化膜形成は800℃以上の高温が要求されるが、これは窒化材料ガスとなるNH3の分解が優位に進む温度が800℃以上であることに起因している。400℃以下で窒化膜形成させるには，Al原料ガスとNH3の熱的反応性が高いものを選択するほかに、原料を間歇的に供給するフローモジュレーション(FM)手法を用いることが考えられる。これにより、原料が吸着・表面拡散する過程と原料由来の有機物やハロゲン等を還元除去する過程を時間的に分離して結晶性の高い薄膜の作製が期待される。このようなプロセスをFM-CVDと呼ぶ。本発表では通常のCVDプロセスとFM-CVDを用いて400℃以下でAlNの製膜を比較検討した。
実験 / Experimental
Al原料にトリメチルアルミニウム（TMA）、窒化反応ガスにNH3を選択した。プロセスは熱CVD法を採用し、反応炉はホットウォール型の石英管を使用し、Si基板上に400℃にて製膜した。AlN膜の組成・不純物を多機能走査型X線光電子分光分析装置(XPS)with AES (X-ray Photoelectron Spectroscopy with AES, UT-308)により評価した。
結果と考察 / Results and Discussion
通常CVDとFM-CVDの比較を400℃にて行ったところ、FM-CVDの方が不純物が少なく、結晶性の良い薄膜作製が可能であることを確認した（図1）。また、FM-CVDのシーケンスを系統的に変化させたところ、１サイクルの時間を短くするほど残存不純物が少なく、結晶性が向上することが分かった。最終的に、不純物として考えられる酸素および炭素の含有率がそれぞれ1%未満と考えられるAlN膜が、FM-CVDにより成長可能であることが示された。これは、アンモニアのみを流す時間中に表面不純物が窒素に置換された効果によるものと考えられる。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
図1.400℃におけるAlN薄膜成長 通常CVDとFM-CVDの膜組成比較
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
本研究はJST ALCA-Next グラント番号JPMJAN23E3、 および、文部科学省「マテリアル先端リサーチインフラ」事業(課題番号JPMXP1224UT0349)の支援を受けたものです。
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)
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
- 佐藤颯基など、”FM-CVD によるAlN薄膜成長時の膜質・段差被覆性評価”、化学工学会第90年会(東京)、PD349、2025/03/14
- 大高雄平など、"TMA/NH3系 FM-CVDによるAlN 薄膜の低温成長成長”、第72回応用物理学会秋季学術講演会(東京)、16a-K508-10、2025/03/16
- Yuhei Otaka et al., "Low temperature flow modulation CVD for high thermal conductivity AlN growth for advanced 3DICS", FTME 2025(Germany), 2025/02/11
- Yuhei Otaka et al., "Low temperature flow modulation CVD for high thermal conductivity AlN growth for advanced 3DICS", PPW 2025(Germany), 2025/02/13
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