2015 Fiscal Year Research-status Report
半導体微細プロセスによる表面超音波デバイス開発と強相関物性解明への応用
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15K13518
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| Research Institution | Niigata University |
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Principal Investigator |
根本 祐一 新潟大学, 自然科学系, 准教授 (10303174)
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2015-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 超音波 / 原子空孔 / 強相関 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
超音波で物質中に入射した歪み波は，電子やイオンの量子系がもつ電気四極子と結合してエネルギー利得を生む。そのため，量子系に電気四極子が存在すると，超音波の伝搬速度vの二乗と質量密度rの積で決定される弾性定数Cの温度依存性には，低温になるほど減少を示す1/Tに比例したソフト化が観測される。シリコン結晶の原子空孔は，その軌道半径が2 nmにも及び，極めて大きな四極子-歪み結合定数g=2.8x10E5 Kをもつので，10E12-10E13 cm-3と超希薄に存在する原子空孔を超音波計測で観測できる。通常は，単結晶圧電素子を試料に接着し，結晶中を伝搬するバルク超音波を利用するが，産業界で用いられるシリコンウェーハでは，表層領域やバルク領域の品質を高度に制御して製品化しており，次のステップとして表層を伝搬する表面弾性波(Surface Acoustic Wave)に着目した。SAWは櫛状電極による圧電素子(Inter Digital Transducer)をウェーハ表面に形成し，表面近傍に集中して伝搬する超音波を励起でき，超音波信号の発信および受信素子として利用できる。この要素技術は，微細化が1X nmからシングルナノへと進行するITデバイス製造企業からの要請に基づきデザインしたもので，世界で最初の実験に成功しウェーハでの評価法の実現可能性を示した。今後，原子空孔が核となって生成されるボイド(Crystal Originated Particle)や酸素析出物(Bulk Micro Defect)などの微小欠陥のデバイス特性への影響を理解し，制御することがこれまで以上に必要となる。エネルギー・環境社会を支える高性能デバイスを開発するために，結晶育成およびシリコンウェーハ製造での微小欠陥の高度な評価と制御の必要性が高まっており，原子空孔の超高感度計測に基づく欠陥制御の基盤技術開発を行う。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
ボロン添加CZシリコンインゴットのボイド領域で決定した原子空孔軌道の四極子-歪み相互作用の大きさgが，Pv(原子空孔優勢領域)やPi(格子間シリコン優勢領域)，およびAOP(異常酸素析出)領域においても同等の大きさであることを，各領域での弾性定数C44の低温ソフト化の解析により明らかにした。また，従来の研究において，単原子空孔は不安定とされてきた結果を踏まえ，5年前の実験において弾性定数の低温ソフト化を示した試料を用いて，経時変化を調べた。その結果，5年前の実験結果を再現した。これにより，産業界で用いられる10E12-10E13 cm-3の超希薄に存在する原子空孔は，室温程度の環境では極めて安定であることを明らかにした。次に，ボロン添加シリコンウェーハの表層評価を行う上で，研究室での物性実験レベルから，産業界での利用を想定した超音波計測のマルチチャンネル化を行った。4系統の同軸ケーブルを実装した既存の大型希釈冷凍機を用いて，逐次切換えによる計測技術を導入した。これにより，今後大型プロジェクトによるプロトタイプ開発で目指す高スループット計測に必要なハードウェアの基本設計の一つを確立した。産業技術総合研究所のスーパークリーンルームの利用を目途に，口径200 mmおよび300 mmのシリコンウェーハ上に形成するZnO圧電薄膜製造とIDT作製について，表層領域での厚み方向依存性について計測するため，IDTのデザインルールを2.5 umから0.5 umまで実施するためのプロセス決定を製造装置メーカーのアルバックと行った。ウェーハ枚葉でのプロセス単価が400万円と高額なため，今後のプロジェクトでコストダウンを図る必要がある。また，グローバルウェーハズ・ジャパンとの共同研究において，これまでのIT用ボロン添加シリコンに加え，パワーデバイス用途のリン添加シリコンの予備的実験を開始した。
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度に導入したハード側のマルチチャンネル計測に対し，逐次計測に対応したソフトウェア開発をLabViewを用いて行う。これまで検討してきたボロン添加シリコンの原子空孔軌道の電荷状態はV+であり，弾性定数の低温ソフト化に奇数個の電子に起因する磁場依存性が現れる。他方，リン添加シリコンの原子空孔軌道の電荷状態は，V-やV--が考えられ，磁場依存性により明らかにする必要がある。電荷状態の違いは，原子空孔が核となって生成されるCOPやBMDおよび軽元素である炭素との結合に対して，それぞれで活性度が異なると考えられる。パワーエレクトロニクス社会のコア技術であるパワーデバイスの高性能化には，ウェーハ全体の高品質化が不可欠であり，表面のデバイス動作層のみを高品質化するエピタキシャル法やラピッドアニール法などの技術で対応してきたIT用デバイスとは違った製造手法が求められる。SUMCOやグローバルウェーハズ・ジャパンとの共同研究を進め，リン添加シリコン結晶のCZおよびFZ法による原子空孔濃度分布を検証する。また，原子空孔軌道は巨大な電気四極子をもち極めて大きな四極子-歪み相互作用を起源として，一軸性応力や静水圧力に対して敏感に応答すると考えられる。強相関電子系の超音波計測で培った圧力下での超音波実験を行い，p型およびn型シリコン結晶の原子空孔軌道の電荷状態の解明と，四極子-歪み相互作用の結合定数の精密化を進める。これにより，今後の大型プロジェクトで目標とする半導体産業における欠陥制御の要素技術となる基礎研究を行う。
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| Causes of Carryover |
研究計画の進行状況を最適化するため，準備したシリコン単結晶試料の超音波測定を優先し，低温実験で用いる寒剤の液体ヘリウムの使用量の増大に対応した。そのため，圧電素子加工およびシリコンウェーハ加工にともなう諸費用を翌年度に移行する必要が生じた。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
ボロン添加p型シリコン結晶の圧力下実験およびこれまで電荷状態が未解明のリン添加n型シリコン結晶の実験を優先して進めるため，液体ヘリウム使用と，圧力下での超音波実験を行うためのセル加工および圧電素子に使用予定である。また，物理学会参加による資料収集およびウェーハメーカー，製造装置メーカーとの打合せのための旅費に使用予定である。
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Research Products
(4 results)
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[Presentation] Observation of Vacancy in Crystalline Silicon by Surface Acoustic Wave Measurement2016
Author(s)
K. Mitsumoto, M. Akatsu, S. Baba, R. Takasu, Y. Nemoto, T. Goto, H. Yamada-Kaneta, Y. Furumura, H. Saito, K. Kashima, Y. Saito
Organizer
BIT's 2nd Annual World Congress of Smart Materials-2016
Place of Presentation
Grand Copthorne Waterfront Hotel, Singapore
Year and Date
2016-03-04 – 2016-03-06
Int'l Joint Research / Invited
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