2015 Fiscal Year Research-status Report
超音波によるシリコン原子空孔がもつ四極子歪み結合の解明
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15K17704
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| Research Institution | Niigata University |
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Principal Investigator |
三本 啓輔 新潟大学, 自然科学系, 助教 (50515567)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 強相関電子系 / 半導体物性 / 格子欠陥 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
半導体産業でデバイス製造に使用されるシリコン結晶に存在する原子空孔軌道の量子状態の解明は，基礎物理の喫緊の課題である。大きく拡がった原子空孔軌道は巨大な電気四極子を持ち，極めて大きな四極子歪み結合を示すので，超音波計測による弾性定数の低温ソフト化により，希薄な濃度で存在する原子空孔を観測できる。申請者は，これまで，ボロンドープシリコンの原子空孔軌道の量子状態を明らかにしてきた。本研究では，希薄な原子空孔がソフト化に寄与する起源となる四極子歪み結合効果を詳細に解明することで，半導体デバイスの基盤材料であるシリコンの原子空孔濃度を評価する全く新しい半導体技術の創成に寄与する。
半導体産業で使用されているIT産業で重要なボロンドープp型シリコンと省エネ産業で重要なリンドープn型シリコンに着目して，シリコン中の原子空孔軌道の量子状態とそれが持つ四極子歪み結合効果を明らかにする。(i) ボロンドープウェーハに微小歪みを印加しG8四重項基底状態を2つのクラマース二重項に分裂させ，さらに磁場を印加することで，基底状態がレベルクロスするときに弾性定数に極小が観測されることが期待される。そのときの歪みと磁場の大きさから四極子歪み結合定数を詳細に決定する。(ii) 原子空孔軌道の対称性が希薄系では立方晶であるが高濃度系では低対称に歪んでいるので濃度依存性を現象論的に調べ解明する。(iii) リンドープシリコンの原子空孔軌道の量子状態の解明も重要であるので，リンドープシリコンの弾性定数のソフト化を観測し，原子空孔軌道の量子状態を解明する。
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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
SUMCO TECHXIV社から購入した半導体産業で用いられるものと同品質のボロンドープFZシリコンから切り出した試料を2010年に超音波計測によりソフト化を観測したが，四極子感受率を用いた解析によりFZシリコンには原子空孔が10e13/cm3で存在することが分かった。さらに，同じ試料を2015年に再測定した結果，ソフト化を観測し，希薄に存在する原子空孔は室温以下で安定であることが分かった。
グローバルウェーハズ・ジャパン社が育成した半導体産業で用いられるものと同品質のボロンドープCZシリコンインゴットから切り出した場所，インゴット中の原子空孔が凝集したボイド領域V，異常酸素析出領域AOP，原子空孔が多いと予想される領域Pv，格子間シリコンが多いと予想される領域Pi，格子間シリコンが集合した転位ループ領域I，によってソフト化の大きさは異なっていた。弾性定数の解析式を用いて原子空孔濃度Nを見積もると，Nは10e12/cm3のオーダーで存在することが分かり，インゴット中の原子空孔濃度分布が明らかにになった。さらに，Nが大きいと弾性定数がゼロになり，原子空孔軌道が四極子歪み結合により立方対称から低対称へと歪むことが考えられ，その臨界濃度Ncは1.4x10e17であることが分かった。WatkinsらのESR実験では，電子線照射により10e16/cm3から10e18/cm3程度の原子空孔をドープしたシリコンの原子空孔軌道は歪んでいると報告している。そのため，原子空孔が半導体産業で用いられるようなシリコンには原子空孔は希薄で，立方対称を保っており，原子空孔高濃度が希薄になると，四極子歪み相互作用により低対称に歪むことが分かった。
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| Strategy for Future Research Activity |
原子空孔軌道は，巨大な四極子歪み結合gG5=2.8x10e5Ｋ，gG3=1.8x10e5Ｋを持っている。そのため一軸圧として僅かな歪みを印加することで，四極子歪み結合により原子空孔軌道の四重項基底が二つのクラマース２重項に分裂し，低温でのソフト化は1/Tに比例するキューリー則から外れる。さらに低温での磁場依存性に特有の極小が表れることが期待される。また，静水圧を印加することで，原子空孔の周囲にいるシリコン原子が近づき，スピン軌道相互作用の変調により原子空孔軌道の量子状態G8-G7のギャップが変化し，その応答がソフト化に表れることが期待される。それにより，四極子歪み相互作用が静水圧下および一軸圧下でのボロンドープシリコンの原子空孔軌道の量子状態の解明に進む。
ノンドープシリコンは原子空孔軌道に電子が4個収納された電荷状態V0であり，アクセプタとしてボロンをドープすると，原子空孔軌道から電子を1個取り去った電荷状態V+が実現し，低温ソフト化やその磁場依存性を説明できた。他方，パワーデバイス用のリンドープシリコンの量子状態の解明も必要である。ドナーとしてリンをドープすると，原子空孔軌道に電子をさらに占有させることになる。リンドープシリコンの低温ソフト化の観測から原子空孔軌道の電荷状態と量子状態の解明を進める。
また，これらの研究成果を論文として出版する。
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| Causes of Carryover |
本研究計画調書の平成27年度の研究計画では，歪み印加による原子空孔軌道の四極子歪み結合定数の決定を予定していたが，産業界から原子空孔軌道の安定性やシリコンインゴット中の原子空孔濃度分布を知りたいとの要望があったので，研究計画を変更して調べた。そのため，歪み印加による原子空孔軌道の四極子歪み結合定数の決定を平成28年度の研究計画に盛り込んだので，予算を繰り越した。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
超音波計測による静水圧下および一軸圧下でのボロンドープシリコンの低温ソフト化とその磁場依存性の観測を行うために，液体ヘリウムを用いた低温実験を行う。さらに，リンドープシリコンについても，低温ソフト化とその磁場依存性の観測を行う。低温実験の実施のために，液体ヘリウムと超音波計測部品を消耗品として使用する。
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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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