2015 Fiscal Year Annual Research Report
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
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26247059
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| Research Institution | Niigata University |
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Principal Investigator |
後藤 輝孝 新潟大学, 自然科学系, フェロー (60134053)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
根本 祐一 新潟大学, 自然科学系, 准教授 (10303174)
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| Project Period (FY) |
2014-06-27 – 2017-03-31
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| 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 / 半導体技術 |
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| 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可磁場依存性，さらに応力印可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板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。２７年度の主な研究成果を述べる。（１）インゴットから切り出す場所によってシリコンウェーハのソフト化は変化しているが、CZシリコンインゴット中のAOPもしくはPv、Pi領域での原子空孔が1012~1013cm-3の希薄濃度での分布することを確認した。（２）5GHzで表面超音波計測を目指し、分離ギャップw＝0.25μm, 幅0.25μmCu細線での櫛状超音波素子で製作するための設計条件を考察した。（３）パワーデバイス用のリンドープシリコンが注目されているので、低温ソフト化の予備的実験を行った。（４）原子空孔評価を半導体技術としての応用を目指し、４チャンネル同時超音波計測法の開発を進めた。（５）産業応用にすすむことを念頭に置き、ウェーハ企業およびデバイスとの技術的な議論を進めた。
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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
これまでの超音波実験により、ボロンドープシリコンウェーハのソフト化の実験データが蓄積されている。CZシリコンウェーハのソフト化は、インゴット中の異常酸素析出領域（AOP）もしくは完全結晶領域（Pv, Pi）では切り出す場所によって見られている相違を四極子感受率で解析し、原子空孔が1012~1013cm-3の希薄な濃度で分布していることを示した。また、測定後５年が経過したシリコン試料のソフト化の再測定を行い、希薄濃度1012~1013cm-3でかつ室温以下では原子空孔が安定して存在し経年変化がないことを確認した。さらに、原子空孔濃度が増大すると構造相転移が発生する臨界濃度が1017 cm-3程度であることを理論計算により示し、高濃度1017cm-3の原子空孔をもつ照射シリコン試料の原子空孔が不安定であるとのWatkinsのEPR実験と矛盾なく理解できることを確認した。本研究での結論は「半導体産業で用いているシリコンウェーハでは原子空孔が安定的に存在できる」ことを示しており、平成２８年度には論文として出版する。
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| Strategy for Future Research Activity |
○原子空孔軌道は、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。静水圧下および一軸圧での原子空孔軌道の量子状態の解明に進む。パワーデバイス用のリンドープシリコンが注目されているので、低温ソフト化その磁場依存性を四極子感受率で解析し、原子空孔軌道の電荷状態の解明を進める。
○これから産業応用にすすむことを念頭に置き、ウェーハ企業のSUMCO、メモリーデバイスの東芝、CCDイメージセンサーのソニー、半導体製造装置のULVAC、シリコン結晶でキログラム原器を開発している産業技術総合研究所など技術開発についての相互理解を進める。
○分離ギャップw＝0.25μm, 幅0.25μmCu細線での櫛状超音波素子を作製し，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での具体的な製作と測定を試みるために、産業技術総合研究所のSCR施設の有効利用を進め、産業応用への方策を探求する。
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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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