表面超音波によるシリコンウェーハ表層の原子空孔の研究

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 26247059
• Research Institution: Niigata University
• Principal Investigator: 後藤 輝孝 新潟大学, 自然科学系, フェロー (60134053)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 根本 祐一 新潟大学, 自然科学系, 准教授 (10303174)
• Project Period (FY): 2014-06-27 – 2017-03-31
• Keywords: 原子空孔 / シリコン / 表面超音波 / 電気四極子 / 櫛状電極 / ソフト化

Outline of Annual Research Achievements

半導体産業でITデバイス製造に使用されるボロン添加シリコンウェーハに存在する原子空孔軌道の量子状態の解明は，基礎物理を産業技術に発展させる重要課題である。原子空孔に束縛された電子軌道は周囲に大きく広がっているため，巨大な電気四極子をもち，極めて大きな四極子-歪み相互作用を示すので，100億個のSi原子に１個の極僅かな濃度で存在する原子空孔を，超音波による弾性定数の低温ソフト化の計測により観測できる。本研究では、櫛状超音波素子により表面超音波を励起し，ウェーハ表層を伝搬するレイリー波の弾性定数Csの低温ソフト化とその印加磁場依存性，さらに応力印加による歪み依存性を観測し，原子空孔軌道の量子状態および四極子感受率の研究を進める。さらに、半導体デバイスの基盤材料であるシリコンウェーハ表層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。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

対向させた櫛状超音波素子の間の伝搬速度vから表面超音波の弾性定数Cs =ρv2を決定する。幅2.5μmのAl細線，分離ギャップw＝2.5μm,ZnO薄膜2μmでの櫛状超音波素子をシリコンウェーハ(001) 表面に作製し、周波数fs＝517MHz，波長λ=9.37μmでの表面超音波を励起した。[100]方向に対向させた櫛状超音波素子で受信したパルス表面超音波の音速vs= d/ts = 4.967km/sは，表面弾性波の理論計算から予想されるレイリー波の音速4.88km/sと良い一致が得られている。また、新潟大学に設置している希釈冷凍機と超伝導磁石を用い、表面超音波の弾性定数Csの低温ソフト化とその磁場依存性の測定を行い、侵入長3.5μmの表層に存在する原子空孔軌道の量子状態の四極子感受率による解明も進んだ。
半導体デバイスは、シリコンウェーハの表層を活性領域として用いているので、よりウェーハ表面に近い表層の原子空孔の観測が要請されており、本研究では高周波の櫛状超音波素子を製作する。その際、これまでのAl細線を用いて製作した櫛状超音波素子には、測定には無用な超伝導転移がみられるので，極低温でも常伝導であるCu細線を用いる。分離ギャップw＝0.25μm, 幅0.25μmCu細線，ZnO薄膜0.2μmでの櫛状超音波素子をシリコンウェーハ(001) 表面に作製し，周波数fs＝ 5GHz，波長λ =4w=1μm, 侵入長λ =0.3μmでの櫛状超音波素子をフォトリソグラフィ技術で製作する。新潟大学既設の希釈冷凍機では、８本の同軸ケーブルが挿入されており、４個の試料での測定が可能であるが、これまで個別測定にとどまっていた。本研究では、簡便迅速な並列測定を進めるために、電気機械式同軸スイッチを用いた計測システムの開発を進めている。

Strategy for Future Research Activity

シリコン中の原子空孔軌道は、極めて巨大な四極子―歪み相互作用ｇΓ5=2.8x105Ｋを持っている。このため僅かな歪みで、原子空孔軌道の四重項基底は二つのクラマース２重項に分裂し、低温での弾性定数のソフト化は1/Tに比例するキューリー則から外れ、さらに低温での磁場依存性に特有の極小が表れる。これまでの予備的実験では、歪みによる原子空孔軌道の分裂が想定できる結果も見られている。そこで、本研究では、厚み0.77mmのシリコンウェーハ試料を僅かに屈曲させることで歪みを加え、四重項基底を2本のクラマース2重項へ分裂させる。歪みを加えた条件で、低温ソフト化とその磁場依存性を詳しく観測し、四重項基底が歪みでどのように分裂するかを解明し、原子空孔軌道の巨大な四極子―歪み相互作用の大きさを正確に決める。
FZインゴットおよびCZインゴットを用いた系統的な超音波実験によると、シリコンウェーハをインゴットから切り出す場所によって含まれる原子空孔の濃度は変化し、さらに同じウェーハ内でも中心からの距離に依存して原子空孔濃度が大きく変化している。さらに、ウェーハ育成や熱処理などの条件により、表面から内部に向かい原子空孔濃度が変化していると推測されている。本研究は、表面超音波による原子空孔軌道の量子状態の解明に目的があるが、半導体産業からの要望にも是非とも応えたい。現在用いられているニュートラル、エピ、アニールウェーハなど多様な300mmボロン添加CZシリコンウェーハの表層の原子空孔の研究も行う。シリコンウェーハは，人類が手にした最も純粋で完全な結晶であり，大学実験室では育成不可能であり、ウェーハメーカーの協力のもとで、最先端シリコンウェーハの提供を受ける。超音波による基礎研究の成果を、半導体技術への産業応用に発展させる契機を作りたい。

Research Products

• [Journal Article] Surface acoustic wave diagnosis of vacancy orbital with electric quadrupoles in silicon (2015)
  • Author(s): T. Goto, K. Mitsumoto, M. Akatsu, S. Baba, K. Okabe, R. Takasu, Y. Nemoto, H.Y. Kaneta, Y. Furumura, H. Saito, K. Kashima, and Y. Saito
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 592 Pages: 012150/1-7
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1088/1742-6596/592/1/012150
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Elastic Softening of Surface Acoustic Wave Caused by Vacancy Orbital in Silicon Wafer (2014)
  • Author(s): K. Mitsumoto, M. Akatsu, S. Baba, R. Takasu, Y. Nemoto, T. Goto, H.Y.-Kaneta, Y. Furumura, H. Saito, K. Kashima, and Y. Saito
  • Journal Title: Journal of Physical Society of Japan Volume: 83 Pages: 034702/1-12
  • DOI: http://dx.doi.org/10.7566/JPSJ.83.034702
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] シリコン原子空孔軌道が示す四極子秩序の臨界濃度 (2014)
  • Author(s): 木村駿生, 三本啓輔, 赤津光洋, 根本祐一, 後藤輝孝
  • Organizer: 物理学会新潟支部会 第43回例会
  • Place of Presentation: 新潟大学, 新潟県
  • Year and Date: 2014-12-13 – 2014-12-13
• [Presentation] Surface acoustic wave diagnosis of vacancy orbital in surface layer of silicon wafer (2014)
  • Author(s): T. Goto, K. Mitsumoto, M. Akatsu, S. Baba, K. Okabe, R. Takasu, Y. Nemoto, H. Yamada-Kaneta, Y. Furumura, H. Saito, K. Kashima, Y. Saito
  • Organizer: The Forum on the Science and Technology of Silicon Materials 2014 (Hamamatsu)
  • Place of Presentation: Hamamatsu, Japan
  • Year and Date: 2014-10-19 – 2014-10-20
  • Invited
• [Presentation] シリコン原子空孔軌道の強い四極子-歪み結合による自発歪みと臨界濃度 (2014)
  • Author(s): 三本啓輔，木村駿生，赤津光洋，根本祐一，後藤輝孝
  • Organizer: 日本物理学会 2014年秋季大会
  • Place of Presentation: 中部大学, 愛知県
  • Year and Date: 2014-09-07 – 2014-09-10
• [Presentation] 超音波で観る量子力学の世界 (2014)
  • Author(s): 根本祐一
  • Organizer: 第203回物理学教室セミナー日本物理学会北陸支部特別講演会
  • Place of Presentation: 富山大学, 富山県
  • Year and Date: 2014-07-17 – 2014-07-17
  • Invited
• [Presentation] Ultrasonic diagnosis of vacancy orbital in silicon wafer (2014)
  • Author(s): T. Goto, K. Mitsumoto, M. Akatsu, S. Baba, K. Okabe, R. Takasu, Y. Nemoto, H. Yamada-Kaneta, Y. Furumura, H. Saito, K. Kashima, Y. Saito
  • Organizer: 13th Bilateral German-Japanese Symposium “Interplay of Spin- and Orbital Degrees of Freedom in Strongly Correlated Electron Systems
  • Place of Presentation: Rottach-Egern, Germany
  • Year and Date: 2014-07-13 – 2014-07-16
  • Invited
• [Presentation] Surface Acoustic Wave Diagnosis of Vacancy Orbital with Electric Quadrupoles in Silicon (2014)
  • Author(s): T. Goto, K. Mitsumoto, M. Akatsu, S. Baba, K. Okabe, R. Takasu, Y. Nemoto, H. Yamada-Kaneta, Y. Furumura, H. Saito, K. Kashima, Y. Saito
  • Organizer: SCES’2014 (The international Conference on Strongly Correlated Electron Systems 2014)
  • Place of Presentation: Grenoble, France
  • Year and Date: 2014-07-07 – 2014-07-11
• [Remarks] 根本研究室
  • URL: http://www.sc.niigata-u.ac.jp/nemoto/index.html
• [Patent(Industrial Property Rights)] シリコンウェーハ表層中原子空孔評価方法及び装置 (2014)
  • Inventor(s): 後藤輝孝，根本祐一，金田寛，赤津光洋，三本啓輔
  • Industrial Property Rights Holder: 新潟大学
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: PCT/JP2014/005580
  • Filing Date: 2014-11-05
  • Overseas