2017 Fiscal Year Annual Research Report
Formation and reaction control of silicon nanostructures by vacuum thermal decomposition
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15K04618
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| Research Institution | Hirosaki University |
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Principal Investigator |
遠田 義晴 弘前大学, 理工学研究科, 准教授 (20232986)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | シリコン酸化膜 / 熱脱離 / ボイド / ナノ構造 / 電子線照射 / 還元反応 / 電子顕微鏡 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
無酸素雰囲気中でシリコン(Si)酸化膜を加熱すると、酸化膜が不均一に熱分解脱離し、酸化膜にボイドと呼ばれる貫通穴が形成される。本申請者はこれまでに、ボイド形成の基本的性質や振る舞いを明らかにしてきた。本研究は、これまでの研究成果を踏まえ、初期ボイド発生やSiナノ構造形成の物理的起源や発現機構を究明し、さらに量子効果半導体デバイスとして発展可能なSiナノ構造形成・制御のための基礎的な技術開発を目的とする。以下に、研究期間全体を通じて実施した研究成果をまとめる。
１．酸化膜脱離反応過程の解析：酸化膜脱離反応素過程を解明する上で重要な知見である、熱脱離活性化エネルギーを厳密に測定した。さらに、アレニウスの式における頻度因子の酸化膜厚依存性も明らかにした。これにより、酸化膜の熱脱離反応は、ボイド周辺部で生ずる還元反応が律速反応であること、10nm以上の膜厚の酸化膜における脱離反応においても、ボイド側壁へのSi原子の拡散により、薄膜酸化膜と同様な素過程で反応が進行することを明らかにした。
２．初期ボイド発生位置の制御：Siナノ構造形成位置を制御するためには、初期ボイド位置の制御が必要である。そのため、電子線照射による還元反応を利用して微小Si領域を形成させ、その後の熱脱離により、所望の位置でナノ構造を形成できるのではないかと考えた。実験を行った結果、5-30keVの電子線照射により還元反応を確認した。
３．還元反応によるSiナノ構造の形成とボイト形成起点：Si酸化膜への電子線照射による還元反応により、Siドット構造がSi酸化膜と基板Siの界面に形成されることを、原子間力顕微鏡により明らかにした。表面100nm下の界面においてもドット構造は確認され、この成果は埋もれた界面に量子ドットを形成できる可能性を示唆する。さらに、形成したSiドット構造を起点に、ボイド形成が可能であるか、研究を進める。
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