Annual Report No.18 2004 水平磁場印加ホール効果による機能性薄膜の内部局所物性計測技術の開発 Development of evaluation method to elucidate internal properties inside functional thin films by Hall Effect under magnetic field in horizontal plane A21103 代表研究者共同研究者有馬健太大阪大学大学院工学研究科助手 Kenta Arima Research Associate, Graduate School of Engineering, Osaka University 森田瑞穂大阪大学大学院工学研究科教授 Mizuho Morita Professor, Graduate School of Engineering, Osaka University The purpose of this study is to develop a non-destructive evaluation method to elucidate internal properties such as the structure, crystallinity and distribution of impurity atoms inside functional thin films with a high spatial resolution. For this purpose, we suggest to apply both the current flow and magnetic field to the sample in the horizontal plane. The unique feature in this study is to unite conventional Hall effect with surface phenomena in order to seek internal properties (structures, crystallinity and distribution of impurity atoms). When we apply both the current flow and magnetic field in the horizontal plane of the sample, it is natural that Hall voltage between the front surface and the back one of the sample appears depending on the carrier velocity inside the material. And we expect that a surface potential changes in relation to the Hall voltage between the front surface and the back one of the sample. By measuring the distribution of surface potentials on the nanometer scale, it is possible to extract the distribution of carrier velocity beneath the surface. In this study, a surface potentiometry is performed by Kelvin method under the current flow and magnetic field in the horizontal plane of the sample in a designed vacuum chamber, in order to clarify the correlation between the surface potential and Hall voltage. The change of the surface potential (about 35 mV) is clearly observed under the magnetic field in the horizontal plane, and the principle of the suggested evaluation method is confirmed. In the near future, we are going to construct the system to obtain the distribution of surface potentials on the atomic scale within this scheme. た走査型プローブ顕微鏡は、物質表面の原子研究目的配列の観察等において、すでに多くの研究成次世代高性能電子デバイスを実現するため果が報告されている。しかし、原理的に表面には、そこで用いられる各種薄膜材料の物性、敏感な手法であるため、バルク内部の情報は特に、バルク内部のデバイスパラメータを正含まれず、計測対象が表面に限られている。しく理解することが不可欠である。走査型ト一方、バルクの物性計測方法としては、電ンネル顕微鏡、原子間力顕微鏡をはじめとし気抵抗測定やエリプソメトリ技術、容量−電 ─ 36 ─ The Murata Science Foundation 圧（C-V）測定やX 線トポグラフィー法等多を実現するためには、そこで用いられる各種数存在し、現在の半導体産業においても広く薄膜材料（SOI 層（Silicon on Insulator）、太利用されている。しかし、いずれもµm オーダ陽電池用発電層、薄膜トランジスタ用多結晶ー以上の広い領域における、バルクの平均的シリコン薄膜、有機薄膜等）の物性、特に、な物性を計測しているに過ぎない。バルク内部のデバイスパラメータ（移動度、すなわち、薄膜材料内部の物性（キャリア結晶性、厚み分布、不純物分布など）をナノ密度分布、膜厚、局所欠陥や界面準位）を微メートルレベルの高い空間分解能で正しく理視的に高感度で計測する技術は存在しないの解することが不可欠である。本研究では、非が現状である。ここで本研究では、水平磁場破壊かつ高空間分解能で各種機能性薄膜の内に伴うホール効果によって現れる表面ポテン部局所物性を解析する計測手法を開発するこシャルを走査型プローブ技術によって計測し、とを目的としている。すなわち、古くから知先述したような薄膜内部の物性を局所的かつられているホール効果を表面現象の観点に基高感度に評価できる計測技術を提案する。従づいて応用することによって、先述したよう来のホール効果において、電流方向と磁場印な薄膜内部の物性を局所的に透視できる計測加方向を共に薄膜試料面内にとることによっシステムを提案する。今回提案する手法の原て薄膜試料表面に発生するポテンシャルは、点は、半導体薄膜面内の直交する二方向に電そのサイトでの薄膜内部に流れる電流量に比流と磁場を印加すると、薄膜の表面−裏面間例すると予想される。さらにこの電流値は、にホール電圧が生じるであろうという単純な薄膜内部の物性（キャリア密度、膜厚、散乱ものである。発生したホール電圧はその場所体となる欠陥）を反映する。つまり、水平磁での薄膜内部を流れるキャリアの速度に依存場印加に伴うホール効果によって表面に現れすることが容易に想像される。そして、薄膜るポテンシャル分布を高い空間分解能で計測内部を流れるキャリアの速度は、材料内部のし画像化できれば、原理的には原子レベルの構造（結晶性、構造欠陥、粒界等）に依存す感度を有する究極の薄膜内部物性計測法となると考えられるため、表面−裏面間に発生すり得る。るホール電圧を試料の各場所で測定すること本方法は、あらゆる機能性薄膜材料の評価によって、材料内部の物性に関する情報が得手段に適用できるため、次世代の各種高性能ることができると想像される。しかし通常、電子デバイスの実現に大きく貢献できる。そ半導体デバイスに使用される機能性薄膜は絶れと同時に、膜中を運動している電子には、縁体などの基板の上に乗っているため、直接バルク内部での原子配列により決定されるポホール電圧を場所ごとに測定することはできテンシャルに加えて、Z 方向の特異なポテンない。ここで、表面ポテンシャルの変化とホシャルを付与できるため、キャリアと磁場のール電圧との間に相関があるのではないかと相互作用によって生じる新しい物理現象発見着想し、これをケルビン法による表面ポテンの契機となる可能性が高い。シャル計測により明らかにすることを試みた。本研究で利用するホール効果そのものは古く概要から知られており、半導体産業では、シリコ次世代の超高集積・高性能半導体デバイスンウエハのキャリアタイプやキャリア密度を ─ 37 ─ Annual Report No.18 2004 測定する目的等で頻繁に利用されている。一んでおり、さらなる高集積化・高性能化が求方、半導体界面やMOS ダイオードにおける反められている。これに対応するためには、そ転層内で形成される、二次元の自由度をもつこで用いられる各種薄膜材料の物性、特に、電子ガスに、自由度がない方向に強い磁場をバルク内部のデバイスパラメータを正しく理加えてサイクロトロン運動をさせると、二次解することが不可欠である。元面内の運動エネルギーが量子化されるとい例えば、太陽電池デバイスで活性層としてう、量子ホール効果と呼ばれる現象が基礎物すでに実用化が進んでいる水素化アモルファ理の分野で知られており、このような特異なスシリコン薄膜において、その光電変換効率電子状態をプローブ顕微鏡により調べた報告を上げることが、将来の環境に優しい電力シも存在する。しかし、いずれの場合も磁場のステムを構築する上で不可欠である。これを印加方向は試料面内に対して垂直方向であ達成するためには、太陽光照射時の、水素化り、本研究で提唱しているような薄膜の局所アモルファスシリコン薄膜内部におけるキャ的な物性計測を目的とした水平磁場印加方式リア密度の局所的な変化を高感度で検出して、ではない。今回の実験ではまず、高真空中にその結果を成膜プロセスにフィードバックすて試料の水平面内に電流印加が可能な真空チる必要がある。しかし今日、そのような計測ャンバーや電流導入系、さらにネオジム永久技術は存在しない。次に、次世代の高速・低消費電力半導体電磁石の真空中での搬送による試料水平面への磁場オン/オフが可能な試作装置を製作した。子デバイスの基板として期待されている極薄そして、ロックインアンプや電流-電圧変換増 SOI（Silicon on Insulator）ウエハでは、SOI 幅器などにより構成された外部回路を用いた層膜厚のばらつきはデバイス性能の劣化を招ケルビン法により、現段階での表面ポテンシく。近い将来、超高集積化半導体デバイスのャル分解能が約10mV であることを確認した。デザインルールは100nm 以下となることが明さらに、試料水平面内への通電時の表面ポテ白である。そこで、nm レベルの横方向空間分ンシャル測定を行い、計測装置としての性能解能でSOI 層膜厚の局所的なばらつきを正確を把握した。最後に、電流・磁場印加状態でに測定する技術の確立が急務である。のホール効果に基づく試料表面のポテンシャまた、次世代の電子デバイスにおける配線ル変化を計測し、得られた結果に関する考察材料として研究が強力に推し進められているを行うと共に、今後の課題を述べた。結論と自己組織化現象を利用した有機薄膜材料におして、ホール効果に基づく表面ポテンシャルいて、その薄膜中に存在するnm オーダーの散分布を高い空間分解能で計測することにより、乱体（格子欠陥や混入不純物、および基板と目的としている機能性薄膜内部の局所物性をの界面に形成される界面準位）は、電気伝導透視できる評価システムが製作可能であるこの妨げとなり、電気的な“断線”現象を引きとを示した。起こしかねない。そこで、薄膜中の局所欠陥や界面準位を nm オーダーの空間分解能で検本文出する必要がある。しかし、そのような計測 1．はじめに技術は存在しない。今日、電子デバイスの開発は日進月歩で進 ─ 38 ─ 以上のような背景を受け、本研究では非破 The Murata Science Foundation 壊かつ高分解能で各種機能性薄膜の内部局所直（紙面の表から裏）に磁場を印加して、二物性を解析する計測手法を開発することを目つの端子間（例： A と C）に電流を流すと、的としている。すなわち、古くから知られて残りの端子間（例： B とD）に電位差が発生いるホール効果を表面現象の観点に基づいてする（Van der Pauw 法）。これによって用い応用することによって、薄膜内部の物性（構た試料のキャリア密度が決定され、さらに抵造、結晶性、異種物質分布など）を局所的に抗率測定の結果と組み合わせれば試料の移動透視できる計測システムを提案する。具体的度が求められる。この手法は、今なお半導体には、試料の水平面内の直交する二方向に電デバイス製造プロセスにおいて極めてよく用流及び磁場を印加した時に、ホール効果によいられているが、得られる情報は原理的に試って現れる表面ポテンシャルの変化を計測す料全体の平均的な情報に過ぎない。ることによって、その試料内部のキャリア速今回提案する手法は、半導体薄膜面内の直度を知るという手法である。本手法が実現で交する二方向に電流と磁場を印加すると、薄きれば、半導体薄膜デバイス作製プロセスご膜の表面-裏面間にホール電圧が生じるというとの測定を行うことにより、製造プロセスやものである。発生したホール電圧はその薄膜作製手法の良否の確認ができる。また、高分内部を流れるキャリアの速度に依存すること解能構造分析が実現できれば、デバイス性能が分かっている。薄膜内部を流れるキャリアの優劣の予測がデバイス作製時点で行えるこの速度は、材料内部の構造（結晶性、構造欠とになる。これらの点から、提案している手陥、粒界等）に依存すると予想されるため、法が確立できれば、次世代の超高集積・高性試料の表面−裏面間に発生するホール電圧を能電子デバイスの実現におおいに貢献できる。測定することによって、材料内部の物性に関する情報が得られることは容易に想像される。 2．測定原理薄膜の水平方向に電流と磁場を印加した時一般的に広く知られている従来のホール効の試料の一部を取り出し、キャリアの流れと、果は、磁場を試料の薄手方向に、電流を試料表面ポテンシャルを模式的に表したものを図2 水平方向に印加すると、両者に直交する方向に示す。にキャリアがローレンツ力を受け偏り、結果に先に述べたように、ある位置での表面-裏面電流・磁場双方に直交する方向にホール電圧間に発生するホール電圧は、その位置での材と呼ばれる電位差が生じるというものである。料内部の構造に依存した値であると考えていすなわち、図 1 に示すように、試料面に垂る。しかし、通常試料は基板の上に乗ってい図2 図1 従来のホール効果ホール効果とそれに基づいて変化する表面ポテンシャルの模式図 ─ 39 ─ Annual Report No.18 2004 るため、直接ホール電圧を場所ごとに測定す位（001）、厚み625µm）表面との容量変化をることはできない。ここで、表面ポテンシャ利用して、その時に発生する変位電流を電流ルの変化とホール電圧との間に相関があるとアンプおよびロックインアンプにより検出し推察し、これをケルビン法による表面ポテンた。探針には電位を調整するための直流電源シャル計測により明らかにすることを試みた。が接続されている。また試料の両端には、ホここで、本研究における表面ポテンシャルール電圧を発生させることを目的として、通計測法として用いたケルビン法に関して、以電用の定電圧電源が接続されている。磁場印下に簡単にその原理を説明する。仕事関数の加にはネオジム永久磁石（住友特殊金属社製異なる金属（金属 A および金属 B）を互いに NEOMAX-44H、0.7 テスラ）を用いた。トラ接触させると、両者のフェルミ準位に等しくンスファーロッド先端に取り付けられた永久なるようにポテンシャル差（接触電位差）が磁石を上下に動かすことにより、試料の水平生じる。この時、金属 A とB は一種のコンデ方向に磁場のオン/オフが可能である。また、ンサーを構成していることになり、金属 A を試料表面上に空気中の不純物等が吸着する物理的に振動させることにより静電容量が時と、表面ポテンシャル測定を行う際の妨げと間的に変化するため、回路に変位電流が流れなることはよく知られている。そこで、測定る。金属 A に電位 V'を外部から印加すると、装置全体を真空チャンバ内に導入し、計測自両者間の電位差がなくなった時に、回路に流体を真空中で行えるように真空系を構築した。れる変位電流が検出されなくなる。ここで片具体的には、ロータリーポンプ（ U L V A C 側の金属の仕事関数が既知であるとすると、 L76-1410）による粗引きとターボ分子ポンプ変位電流が流れなくなる時の外部電圧V'を調（VARIAN V70LP）とを用いて、約10L の容べることにより、金属B の仕事関数がわかる。積を有するチャンバー内を真空引きする真空本報告では、簡単な試算により求められる系を組み立てて、ピラニおよび電離真空計に表面−裏面間に生じるホール電圧と、ケルビよる真空度測定から、到達真空度 6.0 × 10 -7 ン法により計測される試料の表面ポテンシャ Torr がすでに実現している。本測定を実現するための測定系回路図を図3 ルとの相関を調べ、本研究で提案している手法の実現可能性を明らかにすることを試みた。に示す。以上の装置構成により得た実験結果を次節本研究で提案している手法において、表面ポテンシャル分布を高い空間分解能で測定するに示す。ことによって、原理的には材料内部の情報を非破壊・高分解能で得ることができると考えている。 3．実験方法本測定法では、ケルビン法を実現するための探針に金を用いた。これをバイモルフ型ピエゾ素子を用いて 50Hz で振動させて、試料図3 として用いているシリコンウエハ（p 型、面方 ─ 40 ─ 試作したホール効果に基づく表面ポテンシャルの測定系 The Murata Science Foundation 4．測定結果する様子が確認された。試料両端抵抗から考まず、本測定系での電位分解能を確認する慮すると、両端印加電圧が7.0V であった時にために、シリコンウエハの表面ポテンシャル試料に流れている電流量は、約6.2mA であるをケルビン法により測定した結果を図 4 に示と想定される。す。図 4 において、横軸は探針に印加した電次に、試料に電流を印加しながら水平方向圧を、縦軸にはケルビン法の回路系において、に磁場を印加したときの、表面ポテンシャルロックインアンプで検出された変位電流の値計測を試みた。試料両端への電圧印加は7.0V を示している。図 4 の測定結果より、ケルビで行った。電流密度が試料内部で一定であるン法自体の電位分解能は約 10mV、それによと仮定すると、電流印加により表面―裏面間り求められたシリコンウエハの表面ポテンシに発生するホール電圧は17mV と予想された。ャルが約 4.8V であることが確認された。次一方、測定によって得られた磁場印加前後にに、定電圧電源により試料に通電した時の表おける表面ポテンシャルの変化量は、約面ポテンシャル測定の結果を図5 に示す。図5 30mV であった。実験の過程で、（1）試料両に示すように、定電圧電源により試料の両端端への電圧印加が無くても、トランスファーに 0V から 7.0V まで印加すると、それに比例ロッドによる永久磁石のオン/オフだけで計測して試料中心付近の表面ポテンシャルが変化される表面ポテンシャルの大きさに変化が現れること、（2）これは、プローブと永久磁石周辺の固定治具等の異種材料とが容量的に結合することによって、変位電流の大きさが変化し、結果的にシリコンウエハ表面のポテンシャルが見かけ上変化したように見えること（3）振動前のプローブ位置と試料表面との距離に応じて、検出される表面ポテンシャルに数 10mV の相違が現れるため、プローブ−試料間距離は予め制御しておく必要があること図4 表面ポテンシャル測定における電位分解能の評価結果（4）試料両端にある一定の電圧を印加した時の試料表面の電位は、10 分以上の時間経過で数 mV の変化しか起こらず、時間的に安定であることなどの現象を見出し、高精度の表面ポテンシャル計測を実現する上で重要な実験指針を得た。しかし、ホール効果による表面ポテンシャルの変化は明瞭に観察できたものの、同時にポテンシャル測定の確からしさに改良の余地が見出された。今後は更に表面ポテンシャル計測の測定精度を高めると共に、図5 試料両端印加電圧と探針―試料間電位差の関係を示す測定結果試料の表面-裏面間に生じるホール電圧と、その時の表面ポテンシャルとの相関を詳細に調 ─ 41 ─ Annual Report No.18 2004 査していく予定である。ために超高真空中での計測を行うことがまず最後に、本研究に対して多大なご協力をい必要である。その上で、印加電流量と予想さただきました、財団法人村田学術振興財団にれる試料表面―裏面間のホール電圧、および厚く御礼を申し上げます。その時のホール効果に基づく表面ポテンシャルの変化を詳細に解明する必要がある。同時今後の研究の見通しに、走査型プローブ顕微鏡技術を用いた表面本研究ではまず、試料であるシリコンウエポテンシャルの局所分布計測システムを構築ハに電流印加を行い、その時の表面ポテンシして、材料内部を流れるキャリア速度分布をャルをケルビン法を用いて、約 10mV のポテ局所的に評価し、機能性薄膜の内部物性を可ンシャル分解能で計測できる装置を構築した。視化する計測技術を確立する予定である。さらに、その水平面内で直交する二方向に電流と磁場を同時に印加し、ケルビン法に基づ本助成金による主な発表論文、著書名 1） 2004 年度精密工学会秋季大会（平成16 年9 月く表面ポテンシャル計測を行うことによって、 15 日、島根大学）にて発表予定ホール効果に伴う表面ポテンシャルの変化が発表論文名：「水平方向に磁場を印加したホー現れることを明らかにした。今後の課題としル効果による材料内部構造解析法の開発」ては、現状のポテンシャル分解能（約10mV）発表者：有馬健太、仲岡亮史、桧皮賢治、森田をさらに向上させ、なおかつ表面吸着に基づく表ポテンシャルの時間的な変動を抑制する ─ 42 ─ 瑞穂