博士論文審査報告書

早稲田大学大学院情報生産システム研究科

博士論文審査報告書

論   文   題   目

機 能 デ バ イ ス に 対 す る 薄 膜 の 内 部 応 力 及 び 表 面 形 状 に 関 す る 研 究

Study on Internal Stress and Surface Morphology    of Thin Films for Functional Devices 

申    請    者

伊藤丈二 Taketsugu ITOH

情報生産システム工学専攻

新機能 LSI 研究

2007 年６月

  ユ ビ キ タ ス 情 報 ネ ッ ト ワ ー ク 社 会 を 実 現 す る た め に は 多 種 多 様 な 機 能 デ バ イ ス の 開 発 を 必 要 と す る 。 一 般 に ， こ れ ら の 機 能 デ バ イ ス は 基 板 上 に 形 成 し た 薄 膜 を M E M S ( M i c r o E l e c t r o M e c h a n i c a l S y s t e m )技 術 や フ ォ ト リ ソ グ ラ フ ィ ー に よ っ て 処 理 し て 製 作 さ れ る 。 し た が っ て ， 製 作 の 難 易 度 や で き あ が っ た 機 能 デ バ イ ス の 性 能 は ， 薄 膜 の 諸 特 性 に 大 き く 左 右 さ れ る 。

本 論 文 は ， 薄 膜 の 諸 特 性 の 中 で 内 部 応 力 と 表 面 形 状 の ２ つ に 着 目 し ， そ れ ら の 定 量 的 評 価 方 法 の 確 立 ， お よ び ， そ れ ら と 成 膜 条 件 と の 関 係 の 定 量 化 を 行 い ， 良 好 な 特 性 を 実 現 す る 成 膜 条 件 の 探 索 を 可 能 に す る こ と を 目 的 と し た も の で あ り ， ４ つ の 章 に よ っ て 構 成 さ れ て い る 。

第 １ 章 は 序 論 で あ り ， 研 究 の 目 的 お よ び 論 文 の 構 成 と ， ユ ビ キ タ ス 情 報 ネ ッ ト ワ ー ク 社 会 を 実 現 す る た め に 開 発 が 期 待 さ れ て い る 種 々 の 機 能 デ バ イ ス と ， そ れ ら に 要 求 さ れ る 性 能 と が 述 べ ら れ ， そ れ ら の 機 能 デ バ イ ス を 実 現 す る た め に 問 題 と な る 薄 膜 の 特 性 が 列 挙 さ れ て い る 。

第 ２ 章 で は ， 薄 膜 の 内 部 応 力 が 薄 膜 の 剥 が れ や 基 板 の 変 形 を 引 き 起 こ し て 機 能 デ バ イ ス の 信 頼 性 に 重 大 な 影 響 を 及 ぼ す こ と を 述 べ ， 大 き な 内 部 応 力 を 有 す る こ と が 知 ら れ て い る 水 素 化 ア モ ル フ ァ ス カ ー ボ ン（ 以 下 で は a - C : H と 略 す ） に 着 目 し ，P E C V D ( P l a s m a E n h a n c e d C h e m i c a l Va p o r D e p o s i t i o n )法 で 作 成 し た 場 合 の 内 部 応 力 発 生 機 構 の モ デ ル 化 と 内 部 応 力 の 緩 和 法 と に つ い て 述 べ て い る 。

P E C V D法 に よ るa - C : Hの 薄 膜 は ， プ ラ ズ マ 中 で メ タ ン か ら 生 成 し たC H3

ラ ジ カ ル が ， 薄 膜 表 面 近 傍 の 未 結 合 手 と 結 合 し て 黒 鉛 型 （s p²- C結 合 ） の ２ 次 元 的 ネ ッ ト ワ ー ク を 形 成 し つ つ 成 長 す る と 考 え ら れ て い る 。 内 部 応 力 の 発 生 機 構 は ， プ ラ ズ マ 中 でC H3ラ ジ カ ル 等 と 同 時 に 生 成 し た 炭 素 イ オ ン が ， こ の ２ 次 元 的 ネ ッ ト ワ ー ク 内 に 侵 入 し て ，ダ イ ヤ モ ン ド 型( s p³- C結 合)の ３ 次 元 的 構 造 を 形 成 す る こ と に よ り ， 薄 膜 内 に 歪 み を 生 じ る た め で あ る と 定 性 的 に 説 明 さ れ て い る 。

著 者 は ， 内 部 応 力 の 発 生 機 構 の 定 量 的 解 析 を 行 う た め に ， プ ラ ズ マ 中 の イ オ ン の エ ネ ル ギ ー 強 度 を セ ル フ バ イ ア ス 電 圧 で 代 表 さ せ ， 薄 膜 の 内 部 構 造 を 薄 膜 内 の 含 有 水 素 量 お よ びs p²- C結 合 とs p³- C結 合 の 構 成 比 率 で 代 表 さ せ て ， 成 膜 条 件 （ 供 給 ガ ス 流 量 ， 供 給 ガ ス 圧 力 ， 供 給 電 力 ） と 成 膜 速 度 ， 内 部 応 力 と の 関 係 を 定 量 的 に 整 理 し て い る 。 セ ル フ バ イ ア ス 電 圧 は 電 圧 計 に よ り 直 接 測 定 し ，薄 膜 内 の 水 素 含 有 量 は フ ー リ エ 変 換 赤 外 吸 収 分 光 法 を 用 い て 推 定 し ， 薄 膜 内 のs p²- C結 合 とs p³- C結 合 の 構 成 比 率 はR a m a n分 光 法 を 用 い て 推 定 し て い る 。 そ の 結 果 ， 内 部 応 力 は ， 供 給 ガ ス 流 量 に ほ と ん ど 影 響 さ れ ず ， 供 給 ガ ス 圧 力 に 関 し て 単 調 減 少 で あ り ， 供 給 電 力 に 関 し て 極 大 値 を 持 つ こ と を 示 す こ と が で き た 。

供 給 ガ ス 圧 力 の 増 加 は ， 水 素 含 有 量 の 増 加 とs p²- C結 合 の 増 加 を 伴 っ て い

る の で ，s p³- C結 合 に よ る 薄 膜 内 の 歪 み が 解 消 し て 内 部 応 力 が 低 下 し た と 結 論 し て い る 。

供 給 電 力 の 増 加 は ， セ ル フ バ イ ア ス 電 圧 の 単 調 な 増 加 を も た ら す こ と が 実 験 に よ っ て 確 か め ら れ て い る 。 し か し ， イ オ ン の エ ネ ル ギ ー 強 度 の 上 昇 が 薄 膜 中 に 侵 入 す る イ オ ン の 単 調 な 増 加 を 引 き 起 こ す と い う 単 純 な モ デ ル で は ， 内 部 応 力 が 供 給 電 力 に 関 し て 極 大 値 を 持 つ こ と を 説 明 で き な い 。 そ こ で ， 著 者 は ， セ ル フ バ イ ア ス 電 圧 が あ る し き い 値 を 超 え る と ， イ オ ン の ス パ ッ タ リ ン グ が 発 生 し ， 薄 膜 中 に 侵 入 す る イ オ ン が 減 少 す る と 考 え て ， 供 給 ガ ス 圧 力 お よ び 供 給 電 力 と 内 部 応 力 と の 関 係 を 表 現 す る モ デ ル 式 を 提 案 し て い る 。 こ の モ デ ル 式 に よ る 推 算 値 と 実 験 結 果 と は 良 好 に 一 致 す る の で ， こ の モ デ ル 式 を 用 い て 内 部 応 力 を 緩 和 す る 成 膜 条 件 を 探 索 す る こ と が で き る 。

第 ３ 章 で は 薄 膜 の 表 面 形 状 が 機 能 デ バ イ ス の 特 性 そ の も の に 影 響 す る こ と を 述 べ ， 有 機 半 導 体 材 料 と し て 有 望 視 さ れ て い る ペ ン タ セ ン 薄 膜 の 表 面 形 状 お よ び 薄 膜 内 の 結 晶 構 造 に つ い て ， 蒸 着 速 度 依 存 性 ， 基 板 材 料 依 存 性 （ ガ ラ ス 基 板 ，ポ リ イ ミ ド 基 板 ），多 層 薄 膜 を 形 成 す る と き の 下 地 薄 膜 依 存 性（ 金 薄

膜 ，S i O2薄 膜 ） に つ い て 解 析 を 行 っ た 結 果 に つ い て 述 べ て い る 。

薄 膜 の 表 面 形 状 の 測 定 に は 原 子 間 力 顕 微 鏡 （A F M） を 用 い て ， グ レ イ ン サ イ ズ ， 表 面 粗 さ （ 表 面 の 凹 凸 の 高 さ の 標 準 偏 差 ），P V 値 （ 表 面 の 凹 凸 の 差 の 最 大 値 ） を 推 定 し ， さ ら に ， 表 面 の 凹 凸 の 高 さ の 二 次 元 離 散 フ ー リ エ 変 換 に よ り パ ワ ー ス ペ ク ト ル 密 度 （P S D） を 計 算 し て い る 。 薄 膜 の 結 晶 構 造 に つ い て は X 線 回 析 装 置（X R D）を 用 い て 解 析 し ，ペ ン タ セ ン 分 子 の 配 向 性 の 強 さ ， お よ び ， 薄 膜 相 と バ ル ク 相 の 構 成 比 率 を 推 定 し て い る 。

蒸 着 速 度 依 存 性 に 関 し て は ， 蒸 着 速 度 が 小 さ い ほ ど ， ペ ン タ セ ン の グ レ イ ン サ イ ズ が 大 き く な り ， ペ ン タ セ ン 分 子 の 配 向 性 が 強 く な り ， 薄 膜 相 の 構 成 比 率 が 大 き く な る こ と が A F M と X R Dに よ る 解 析 結 果 か ら 確 か め ら れ て い る 。 グ レ イ ン サ イ ズ が 大 き く ， ペ ン タ セ ン 分 子 の 配 向 性 が 強 い ほ ど ， ま た ， 薄 膜 相 の 構 成 比 率 が 大 き い ほ ど ， 電 子 の 移 動 度 が 大 き く な る の で ， 蒸 着 速 度 が 小 さ い ほ ど ， ペ ン タ セ ン 薄 膜 の 特 性 は 良 好 に な る と 結 論 し て い る 。

基 板 材 料 依 存 性 に 関 し て は ， 蒸 着 速 度 の 大 き さ に よ ら ず ， ガ ラ ス 基 板 上 の ペ ン タ セ ン 薄 膜 の 方 が ， ポ リ イ ミ ド 基 板 上 の も の よ り も ， グ レ イ ン サ イ ズ が 大 き く ， か つ ， ペ ン タ セ ン 分 子 の 配 向 性 が 強 い こ と が 実 験 に よ り 確 か め ら れ て い る 。 こ れ に よ り ， ガ ラ ス 基 板 の 方 が ポ リ イ ミ ド 基 板 よ り 優 れ て い る と 結 論 し て い る 。

下 地 薄 膜 依 存 性 は ， 有 機 薄 膜 ト ラ ン ジ ス タ を 作 成 す る と き に 重 要 と な る 特 性 で あ る 。 著 者 は ， 金 薄 膜 （ ガ ラ ス 基 板 上 お よ び ポ リ イ ミ ド 基 板 上 に 成 膜 し た も の ）とS i O2薄 膜（ ガ ラ ス 基 板 上 お よ び 単 結 晶 シ リ コ ン 基 板 上 に 成 膜 し た も の ） と を 下 地 薄 膜 と し て 選 び ， こ れ ら の 下 地 薄 膜 の 表 面 形 状 と ， そ の 上 に 成 膜 し た ペ ン タ セ ン 薄 膜 の 表 面 形 状 と の 関 係 を 解 析 す る た め に ，P S Dプ ロ ッ

ト （P S Dを 両 対 数 グ ラ フ 上 に プ ロ ッ ト し た 線 図 ） を 用 い て い る 。 薄 膜 の 表 面 形 状 のP S Dプ ロ ッ ト は ， 低 周 波 数 領 域 で は 緩 や か に 減 少 す る 直 線 と な り ， 特 定 の 空 間 周 波 数 に 達 す る と 折 れ 曲 が っ て 急 速 に 減 少 す る 直 線 と な る 。 空 間 周 波 数 を ゼ ロ に 近 づ け た と き のP S Dの 極 限 値 をA，P S Dプ ロ ッ ト が 折 れ 曲 が る 空 間 周 波 数 をB，高 周 波 数 領 域 に お け るP S Dプ ロ ッ ト の 勾 配 をCと す る と ，こ れ ら ３ 個 の パ ラ メ ー タ に よ り 薄 膜 の 表 面 形 状 を 定 量 的 に 表 現 す る こ と が で き る 。 著 者 は ， 下 地 薄 膜 の 表 面 形 状 のP S Dか ら ， そ の 上 に 成 膜 し た ペ ン タ セ ン 薄 膜 の 表 面 形 状 のP S Dを 推 定 す る モ デ ル 式 を 提 案 し て ， モ デ ル 式 に よ り 推 算

し たP S Dと A F Mに よ っ て 測 定 し た 表 面 形 状 のP S Dと が 良 い 一 致 を 示 す こ と

を 確 か め て い る 。

第 ４ 章 は 総 括 で あ り ， 本 研 究 の ま と め と ， 今 後 の ユ ビ キ タ ス 情 報 ネ ッ ト ワ ー ク 社 会 に お け る 機 能 デ バ イ ス の 開 発 に 本 研 究 の 成 果 を 生 か し て 行 く 展 望 に つ い て 述 べ て い る 。

以 上 ， 本 論 文 は ， 機 能 デ バ イ ス の 性 能 や 信 頼 性 に 大 き な 影 響 を 与 え る 薄 膜 の 内 部 応 力 お よ び 表 面 形 状 と 成 膜 条 件 と の 関 係 を 明 ら か に し た も の で ， 高 性 能 か つ 高 信 頼 性 の 機 能 デ バ イ ス の 開 発 を 可 能 に し て ユ ビ キ タ ス 情 報 ネ ッ ト ワ ー ク 社 会 の 実 現 に 寄 与 し ， か つ ， 学 術 的 に も 新 規 性 が 高 い と 判 断 す る こ と が で き る 。

よ っ て ， 本 論 文 は 博 士 （ 工 学 ） の 学 位 論 文 と し て 価 値 あ る も の と 認 め る 。

２ ０ ０ ７ 年 ５ 月 ３ １ 日

      主 査   早 稲 田 大 学 教 授   工 学 博 士 （ 九 州 大 学 ）     山 内 規 義       副 査   早 稲 田 大 学 教 授   博 士 （ 学 術 ）（ 神 戸 大 学 ）   吉 増 敏 彦       早 稲 田 大 学 教 授   工 学 博 士 （ 東 京 大 学 ） 松 山 久 義