成果報告書詳細
管理番号20120000001174
タイトル平成21年度~平成23年度成果報告書 ナノエレクトロニクス半導体新材料・新構造ナノ電子デバイス技術開発 シリコンウェハ中の原子空孔濃度定量評価技術の研究開発
公開日2012/12/7
報告書年度2009-2011
委託先名国立大学法人新潟大学
プロジェクト番号P09002
部署名電子・材料・ナノテクノロジー部
和文要約超音波による低温での弾性定数のソフト化の計測は,シリコン結晶中の孤立した原子空孔を検出できる。本ナノエレPJ事業において,私どもは半導体産業で利用されているシリコンウェハ中の原子空孔濃度を評価する新しい方法を開発した。
(1)弾性定数の低温ソフト化の測定は,半導体産業で利用されているボロン添加シリコンウェハ中の原子空孔濃度を評価するユニークで有望な手法である。新潟大学では,高度な超音波計測システムを構築した。この装置は,超音波位相差計測,スパッタZnO圧電薄膜による超音波変換素子,3He-4He希釈冷凍機から構成されている。私たちは,ZnO圧電素子を用いて,産業用のボロン添加シリコンウェハの低温ソフト化を高精度で計測することに成功した。これは,半導体技術としての実用化への極めて重要なマイルストーンである。
(2)ボロン添加シリコンウェハの原子空孔軌道には3個の電子が収納され,電荷状態V+が実現している。原子空孔軌道の電気四極子と超音波によって結晶中に誘起された弾性歪みとの結合は,弾性定数の低温ソフト化をもたらす。低温ソフト化には顕著な磁場依存性も見られ,3重項に収納された電子のスピン~軌道相互作用による磁性で理解できる。この事業では,Si原子N = 511を取り込んだ大規模シミュレーションを行い,巨大な電気四極子をもった原子空孔軌道の局在量子状態を解明した。
(3)メモリーデバイスやロジックデバイスの急速な微細化の進行によって,半導体産業界では,原子空孔を制御したシリコンウェハへの要望が強まっている。シリコンウェハ中を伝搬する超音波を用いて,ボロン添加シリコンウェハの顕著なソフト化とその磁場依存性の観測に成功した。低温ソフト化の大きさは,シリコンウェハの場所に依存している。この結果は,原子空孔濃度が結晶育成と熱履歴の様々な条件によって決まっていることを表している。現時点では,半導体産業で流通しているシリコンウェハ中の1億個のSi原子に1個の極わずかな原子空孔濃度を,低温超音波計測によって確実に検出できるようになった。
(4)シリコンウェハ中の原子空孔は,デバイスの様々な電気的特性に影響を及ぼしていると推察されている。原子空孔を制御することで,近い将来,メモリーデバイスの歩留まりを向上させる可能性があり,シリコンウェハ中の原子空孔濃度評価技術の開発が強く要望されている。この事業では,ウェハ中の原子空孔濃度分布と半導体デバイスの電気特性との相関を見るために,バージンウェハの超音波原子空孔評価と同時に,それと直近のウェハにデバイスを製造し,デバイスプロセス前後での原子空孔の濃度変化に対応した貴重な実験結果を得た。
英文要約Ultrasonic measurements of low-temperature softening in elastic constants are able to detect isolated vacancy in crystalline silicon. In the nano-electronics project, we develop a novel method for evaluation of vacancy concentration in silicon wafer currently used. (1) The measurement of the low-temperature elastic softening is a unique and promising probe to evaluate the vacancy concentration in boron-doped crystalline silicon wafer currently used in semiconductor industry for advanced device fabrication. Our group at Niigata University developed a highly sophisticated ultrasonic measurement system, which consists of ultrasonic velocity measurement apparatus based on a phase-difference detection method, a ZnO-film sputtering system for ultrasonic transducer and a 3He-4He dilution refrigerator equipped with a superconducting magnet. We succeeded in precise measurements of the low-temperature elastic softening in boron-doped silicon wafers utilizing ZnO-transducer. This is an important milestone to reach the final goal for the application in semiconductor technology. (2) The vacancy orbital in the boron-doped silicon possesses three electrons to be a positively charged V+ state. The coupling of the electric quadrupole of the vacancy orbital to the elastic strain associated with ultrasonic waves brings about the low-temperature elastic softening. The appreciable applied magnetic field effect on the low-temperature elastic softening is accounted for by magnetism due to spin-orbit interaction for an electron accommodated in one of the triplet states. In the present project, we carried out a large-scale simulation for a system with Si atoms N=511 to elucidate localized quantum state of the vacancy orbital with extremely enhanced electric quadrupoles. (3) The rapid progress in downsizing memory- and logic- devices currently adopted in semiconductor industry requires the vacancy-controlled wafer in particular. Utilizing the ultrasonic wave propagating in the silicon wafer, we succeeded in the observation of marked softening and magnetic field dependence in the boron-doped CZ silicon. The amount of the low-temperature elastic softening depends on the location in the boron-doped silicon ingot. This is reflected by the fact that the vacancy concentration is governed by various conditions in crystal-growth and thermal hysteresis. It is now concluded that a tiny population of single vacancy in 10^8 Si-atoms in wafer currently used in semiconductor industry is surely detected by the low-temperature ultrasonic measurements. (4) It is known that the vacancy in silicon wafer plays a crucial role for various electronic properties of the devices concerned. The development for the evaluation technology of the vacancy concentration in the silicon wafer is eagerly required in order to improve yield rate for memory device fabrications in no distant future. In the project, we carried out the low-temperature ultrasonic measurements for the vacancy evaluation to make clear the correlation between the vacancy concentration in wafer and the electric properties of the test devices concerned.
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