機能性ナノ構造

新しい機能性ナノ構造にかかわる基礎研究

歪解析

Ｘ線回折

特集

半導体ナノスケール薄膜の歪解析

シリコン・オン・インシュレータ（SOI）基板上のシリコンナノ薄膜は次世代の半導体材料として全世界で盛んに研究が進められています．本稿では，

おみ

ひ ろ お

尾身 博雄

かわむらともあき/川村 朋晃

シリコンナノ薄膜に存在する微小な歪みの分布を解析する方法と歪み分布のない均質なシリコンナノ薄膜を絶縁膜上に形成する技術を紹介します．

NTT物性科学基礎研究所

により，SOIウエハではSi/ SiO 2 界面果に基づき，歪み分布のない均質なシで歪みが発生してしまいます．この歪リコンナノ薄膜を絶縁膜上に形成するシリコン・オン・インシュレータ（SOI）

みは，通常，欠陥（格子ゆがみ，有限技術も開発しました ．

基板上の高品質シリコン薄膜（SOL）

サイズのドメイン，転位など）を界面は最近大きな注目を集めています．ナや膜内に発生させ，これは最終構造のノメータスケール厚さのシリコン薄膜

電気的・光学的特性を劣化させます．

我 々 は大 きさ15 mm × 15 mm（ SNOL: silicon nano-overlayer）

よって，熱酸化とエッチングプロセスの＜001＞方位のSOI基板の一種であには低温で量子閉じ込め効果を発現すにおいて50 nm以下の膜厚のシリコンるSIMOX基板を使いました．基板は(1)

ることが期待でき ，またシリコンゲ薄膜を作製するプロセスにおいて，シフッ酸（HF）溶液の中でエッチングルマニウム（SiGe）薄膜の基板としリコン膜が薄くなればなるほど界面のした後で，1 200 ℃，0.2％酸素/アルてばかりでなくナノ構造の自己組織化歪みの効果が増大するので，膜内部おゴンガス雰囲気で酸化し，シリコン層用の基板 としても大きな可能性を内よび界面の歪みを評価することが非常上に熱酸化膜を形成しました．続い在しているからです．通常厚さ50 nmに重要となります．て，HF溶液でエッチングして表面熱ナノ構造の歪み評価の必要性

(2)

(3)

シリコンナノ薄膜の作製

以下のシリコン薄膜は，厚さ数百nm

しかし，このようなシリコン薄膜作酸化膜を除去し，斜入射Ｘ線回折ののSOI基板を酸化することにより得る

製において重要となる界面や膜中に存測定は，厚さ47 nmのシリコンナノ薄ことができます．熱酸化により熱酸化在する歪みの分布の制御やシリコンナ膜に対して行いました．

膜が厚くなるにつれてSOL層の厚さは

ノ薄膜の均質化のためには，ナノ薄膜減少し，結果としてSiO 2 /Si/SiO 2 の中の歪み評価手段の欠如が問題となっサンドイッチ構造がSOIウエハ上に形ていました．
X-rayβ成されます．このようにして熱酸化後そこで，我々は，高輝度の放射光をにエッチングにより表面の酸化膜を除利用した斜入射Ｘ線回折法（GIXD）去することを繰り返すことにより，埋により，シリコンナノ薄膜に存在するSNOLもれた酸化膜（BOX: buried silicon

微小な歪みを解析する研究を進めてきBOX

oxide layer）の上に薄膜シリコン層ました．全反射角以下のすれすれの角Si（001）（厚さ50 nm以下）を作製することが度でＸ線を入射し，侵入深さの入射角できます．

依存性を利用することにより，ナノ薄

しかし，一般的によく知られている膜中の歪み分布を解析することに成功

とおり，SiとSiO 2 との熱膨張率の違いしました．さらに，この歪み解析の結（220）

ブラッグ反射α

図1（001）2θ

斜入射Ｘ線回折の模式図

NTT技術ジャーナル 2007.217

新しい機能性ナノ構造にかかわる基礎研究表１（a.u.）105

0th104103

1st1st2nd102

フィッティングパラメータ（1）α（°）εD（nm）

σ（nm）

0.01

−0.00028

490

70

0.02

−0.00028500

700.05−0.00049

480

700.1

−0.00000

4001202nd

対して，それぞれ２，３，４，６nm
101

α=0.01°強と見積もることができます．これらの見積もりによれば，入射角が0.01から0度 10α=0.02°

0.1˚では，Si（220）の主ピークはシ−110リコン層から，付加ピークはシリコンα=0.05°薄膜の表面層からの回折であることを10−2示しています．

α=0.1°−310Si（220）の主ピークの両側にある
付加的な振動ピークは，X線回折の運

10−4−0.2−0.10角

図２0.10.2 （ °）度(5)動学理論 で説明することができます．
実験で得られたカーブを再現するためシリコンナノ薄膜からの斜入射Ｘ線回折カーブ（1）に，我々はシリコン薄膜に対して異なったレベルの歪みを持つ２層モデル（表ピークはバルクSi（220）からの反射面層とその下にも層が存在）を提案しです．振動している付加的なサブピーます．さらに，表面層には有限サイズの斜入射Ｘ線回折の実験は，兵庫県

ク（図２で0th, 1st, 2ndと記載）がドメイン構造が存在し，その面内の歪にある高輝度放射光施設（SPring-8）Si（220）の低角側と高角側に現れてみ量は ε だけ下層に対して小さくなっのBL24 ビームラインで行いました ．

います．それらは明らかに0.01˚からています．我々は，ドメインサイズにＸ線の波長は0.124 nmで，入射角は0.1˚の入射角に対して測定されていま対して，平均サイズＤと標準偏差 σ の0.01-0.4˚の範囲で変化させました．実す．しかし，入射角が大きくなるにつれガウス関数を仮定しました．図２の点

験の配置図を図１に示します．Ｘ線はてそのサブピークは埋もれ，メインピー線は異なる入射角に対する２層モデル

ゴニオメータに入る前に，単色化され，クの肩で不明瞭になっています．これに対する回折ピークのシミュレーション

x-yスリットを使って縦0.1 mm，横は，これらのピークが試料の表面にその結果です．シミュレーションは，高1.0 mmへと集光します．試料からのの起源があることを示唆しています．

角側では多少の差異は見られるものの，回折はNaI検出器とソーラースリット加えて，これらのピークはSi（220）反非対称性を含めて実験結果をよく再現（発散角0.2˚）を使って測定しました．

射の中心に対して非対称ですが，そのしています．異なる入射角に対して実Si（220）ブラッグ反射の回りで θ - 2θ

非対称性は入射角が0.1˚から0.01˚へ

験とシミュレーションをフィッティング

スキャンを異なった入射角に対して行と減少するにしたがって明瞭になってしたパラメータ（ε，Ｄ，σ）を表１にいました．

います．このことは，サブピークの起示します．GIXDは表面層とその下の源がSi（220）ピークとは独立である層と面内の歪差が10 オーダであるこことを示唆しています．とを示しています．また歪ドメインの放射光の利用(4)シリコンナノ薄膜の歪み解析-4

厚さ47nmのシリコンナノ薄膜から波長0.124 nmのＸ線では，シリコサイズは平均サイズ500 nmその偏差異なった入射角に対して得られたSiンに対する全反射臨界角は0.18˚です．

は70 nmであることが分 かりました（220）ブラッグ回折カーブを図２に示

この臨界角以下ではＸ線の侵入深さは（表１）．

します．中心（θ = 0˚）にある大きな入射角が0.01，0.02，0.05，0.1˚に18

NTT技術ジャーナル 2007.2

特集

表２（a.u.）
102

101

100
強度

10−1

10−2

1 000℃

10−3
室温

10−4−0.1−0.050角

図３0.05

0.1（ °）度

フィッティングパラメータ（2）T（℃）εD（nm）

σ（nm）

1 000

−0.00028

1 800

400

RT0.00000

2 000400(3) H. Omi, T. Kawamura, S. Fujikawa, Y. Tsusaka,
Y. Kagoshima, and J. Matsui: In-plane strain
distribution in the surface region of thin silicon
overlayers on insulator, Appl. Phys. Lett.,Vol. 86, 2631112-2631114 , 2005.
(4) T. Kawamura, Y. Watanabe, Y. Utsumi, K.
Uwai, J. Matsui, Y. Kagoshima, Y. Tsusaka,
and S. Fujikawa: In-situ observation ofsuperstructures on InP(001) under hydrogen
atmospheric environment with using incidence
x-ray diffraction, J. Cryst. Growth, Vol. 221,
pp. 106-110, 2000.
(5) V. S. Speriosu: Kinematical x-ray diffraction
in nonuniform crystalline films: Strain anddamage distributions in ion-implanted garnet,J. Appl. Phys., Vol. 52, pp. 6094-6103, 1981.

シリコンナノ薄膜からの斜入射Ｘ線回折カーブ（2）シリコン薄膜の熱的安定性

今後の展望

シリコン薄膜の熱的安定性を調べ

シリコンナノ構造形成において，シるために，我々は試料を1 000 ℃でア

リコンの熱酸化やエッチングは，ナノニールし，GIXD測定を0.01˚の入射シリコン技術の中では依然として重要角で行いました．アニール中とアニーなプロセスです．数十から数ナノへとル後に室温で得たGIXDカーブを図３

さらに進むシリコンナノ薄膜薄層化のに示します．1 000℃で，Si（220）要請を満たすためには，今後，界面や主ピークの肩にあったサブピークが完膜の形成を原子レベルで理解し，その全に消失し（図２と３を比較），反射理解に基づいてナノ構造を形成する必は θ = 0˚に対して対称になっていま

要があります．しかし，現状では，膜す．アニール後は，ピークはシャープの中に埋もれてしまうナノ構造の形成になり，主ピークの肩に付加的なピー過程を観察する技術は確立されていまクが存在しません．図３の点線は表２せん．そこで，今後は，熱酸化過程中（左から）尾身 博雄 / 川村 朋晃のパラメータを使ったシミュレーションのナノ構造形成をその場で観察できるの結果です．これらのシミュレーショ

Ｘ線回折装置を開発し，シリコンナノンは実験カーブと良い一致を示してい構造の形成過程をより精密に制御するます．表１と表２を比較すると，アニー研究を展開していきます．

表面および界面での物質の動きを原子レベルで理解することに基づき，ウエハスケー
ルでナノ構造を自己組織的に形成する技術を，またナノ構造を放射光Ｘ線を使って精密に評価する技術を確立することに精進します．

ル中に歪みの差は消失し，ドメインサ■参考文献

イズが 490 nmから2 000 nmへと増(1) Y. Takahashi, T. Furuta, Y. Ono, T.
Ishiyama, and M. Tabe: Photoluminescencefrom a silicon quantum well formed on
separation by implanted oxygen substrate,Jap. J. Appl. Phys., Vol. 34, pp. 950-954, 1995.
(2) H. Omi, D. J. Bottomely, and T. Ogino: Strain
distribution control on the silicon wafer foradvanced nanostructure fabrication, Appl.
Phys. Lett., Vol. 80, pp. 1073-1075, 2002.

加していることが分かります．これらの結果は明らかにポストアニール処理がシリコン薄膜の結晶性向上に有効であることを示しています．

◆問い合わせ先NTT物性科学基礎研究所
機能物質科学研究部
TEL 046-240-3362
FAX 046-270-2362
E-mail homi@will.brl.ntt.co.jp

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