指導教官：早稲田大学理工学部応用物理学科 市ノ川 竹男 教授
［彙報］
１．はじめに
今日の情報化社会を支えているＬＳＩに代表される電子デバイスは、構造サイズの微細化により年を追う毎に性能の向上が図られている。２０１０年までには１００ｎｍ以下の構造サイズを有するデバイス、すなわちナノデバイスが実用化されると予測されている。デバイスサイズがこのような領域まで微細化されると、コンダクタンスの量子化現象、クーロンブロッケイド現象、共鳴トンネリング現象等のいわゆるメソスコピックな物理現象が見られるようになる。このような現象をデバイスに応用することにより、従来デバイスであるＭＯＳデバイスの物理的限界を乗り越えて高性能化が出来る可能性がある。従来、メソスコピック物理現象を利用したデバイスは化合物半導体系が主体であったが、Ｓｉ系デバイスを実現することにより、常温動作、集積化への道が拓ける可能性があり、その研究が盛んになりつつある。
ナノデバイス作製においては、リソグラフィ技術を中心とした作製技術に関しても解決すべき問題が多いが、実際に作製したナノ構造の評価技術も非常に重要なものとなる。Ｓｉ系ナノデバイス実現に必要な構造サイズは１０ｎｍ級であるため、これに見合った評価精度が求められる。さらに、ナノ構造は一般的にはその高さが水平方向の大きさと同程度になるため３次元形状把握が必須となる。従来、微細な構造評価に用いられている透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）や走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）では、ナノオーダーの定量計測はかなり困難である。さらに、３次元評価はほとんど不可能である。これに対して、比較的新しい顕微鏡法である走査プローブ顕微鏡法の１種である原子間力顕微鏡法（ＡＦＭ）は、原理的には原子分解能が得られるほど分解能が高く、高精度の評価手段となることが期待される。また、ＡＦＭでは高さ情報の２次元像、即ち、３次元像が得られるため、これまでの顕微鏡には無い新しい視点を与え得る。これは新しいタイプのデバイスの開発と言う観点から重要である。以上のようにＡＦＭはナノ構造計測、及び、それを用いたデバイス開発において有用な手段となりうる可能性がある。しかし、これまでＡＦＭをナノオーダーの定量評価に用いた例はほとんどなく、その基礎的手法から確立する必要がある。
本研究の目的は、ＡＦＭによるナノ構造計測手法の確立、及び、それを用いたデバイス作製プロセス技術の開発、さらには、ＡＦＭ観察・計測により得られた知見に基ずくデバイスの創出である。
２． ＡＦＭによるナノ構造計測技術
ＡＦＭで用いられている探針先端は曲率半径が１０ｎｍ程度と、観察対象のナノ構造と同程度の大きさを有している。このため、ナノ構造観察においては探針の影響による像歪みが大きくなるため、ＡＦＭ像から直接的に構造の特性長を把握することが非常に困難である。探針形状を仮定することによりその歪みを除去する手法が提案はされているが、探針形状を高精度に把握すること自体が困難であり、ナノオーダーの定量化は実現されていない。
筆者はこの問題を解決するために、モデル式化法と呼ばれる構造長計測手法を考案した。この手法は、計測対象構造、及び、探針先端形状をそれぞれ初等的な関数形で表現することによりＡＦＭ像情報をモデル式化し、これに実際の像情報をフィッティングさせる手法で、構造長をフィッティングパラメータとして抽出することが出来る。この手法では仮定するのは形状のタイプであることが特徴である。
上記の構造長計測手法の妥当性を検証するには、先ず何よりも探針先端形状の正確な把握が重要である。完全な矩形断面を有する構造（ＫＯＨ異方性エッチングより形成したＳｉ（１１０）基板上＜１１２＞方向細線）を形成し、探針形状の評価を行った。その結果、先端形状が球に近似できることを示した。さらに、この構造を用いて前述の計測手法の正当性の検証を行った。ＴＥＭとの比較からナノオーダーでの定量性を確認することが出来た。同一探針による繰り返し測定値の標準偏差は概ね０．５ｎｍであり、ＡＦＭ計測の基本的な精度は非常に高いことを明らかにした。多数の探針を用いた場合には、計測精度は２〜３ｎｍとなるが、これは探針形状のバラツキに由来することを明らかにした。
実際のナノ構造形成プロセスで表れるパターンは、完全な矩形断面ではなく、エッジに丸みのある場合が大半である。そこで、モデル化式をエッジの丸みのある形状に適用できるように拡張した。このモデル化式を実際の転写工程に表れる構造に適用し、エッジの丸みを含めた構造長計測が可能であることを示した。
３． ナノ構造形成プロセス評価
前節で述べたナノ構造計測手法を、各種のナノ加工技術の開発に適用した。具体的には３つの代表的な転写工程、ＥＢリソグラフィ工程、パターン反転工程、パターン幅細らせ工程を対象とした。これらはナノ加工技術の中でも特に高い寸法精度を要求する工程であり、ＡＦＭによるナノ構造計測を適用することにより初めて定量性を獲た。その結果、１０ｎｍ級の構造形成が高精度に行えるようになり、ナノデバイス実現に大きく寄与した。
４． ナノオーダー構造揺らぎ評価
ナノデバイスでは構造サイズ揺らぎも重要な要素となる。その評価は、他の顕微鏡法に比較して飛躍的にノイズレベルの小さいＡＦＭの独壇場である。ここでは、ＳＩＭＯＸ（Separation
by IMplanted OXgen）基板上に電子線（ＥＢ）リソグラフィを用いて形成されるデバイスを想定して、ＳＩＭＯＸ−Ｓｉ層の膜厚揺らぎ、及び、ＥＢレジストパターンの幅揺らぎを検討対象とした。
Ｓｉ系ナノデバイスの多くはＳＩＭＯＸ基板上に作製されており、最も基本的な素材である。しかし、通常のＳＩＭＯＸ−Ｓｉ層には、１０〜２０ｎｍにも及ぶ高さを持つ正方形状のタイル構造があり、ナノデバイスには適さないほど膜厚揺らぎが大きいことがＡＦＭ観察により明らかとなった。この構造は、高温（１３５０℃）のアニールにより平坦化され、長時間（４０時間）アニールにより完全に消失させることが出来る。平坦化後のＳｉ層表面には原子層オーダーのステップ−テラス構造が見られるが、この構造は高温処理を行った熱酸化膜／バルクＳｉ界面にも見られ、ＳＩＭＯＸ特有の現象では無いことを明らかにした。高温長時間アニールの結果、Ｓｉ層の膜厚揺らぎは標準偏差で１ｎｍ以下となった。この平坦化基板は、Ｓｉナノデバイス作製に好適であり、この基板の実現がナノデバイスへの道を拓いた。
レジストパターンはすべての加工プロセスの基本である。その幅揺らぎの検討において、ダイナミックフォースモードＡＦＭで観察した画像に対して、フラクタル理論に基づくスケーリング解析手法を適用することにより、高精度な定量化を可能にした。ＥＢレジストの一種であるＺＥＰレジストのパターンを解析した結果、幅揺らぎの定量化値として標準偏差２．８ｎｍ、相関長６８ｎｍという値を得た。この定量化値を元に、幅揺らぎの主原因が、レジスト膜中の３０−５０ｎｍ径の粒状構造であることを明確にした。この構造は数１００個のレジスト分子により構成されており、これまで、レジスト膜中にこのような構造が存在することは知られておらず、今後のナノパターンの高精度化に指針を与えた。
５． Ｓｉ−ＳＥＴデバイス開発
ＡＦＭの大きな特徴の一つに３次元構造把握能力がある。特に、垂直方向の感度が、水平方向に比べて良いことから、通常のＳＥＭ，ＴＥＭ等の断面観察では困難である緩やかな凹凸も容易に像にすることが出来る。筆者はＡＦＭのこの特徴を用いてパターン依存酸化現象を見いだした。この現象は、パターンニングされたＳＩＭＯＸ−Ｓｉ層に特有の現象で、酸化により酸化膜中に蓄積する内部応力による酸化の抑制現象と、埋込酸化膜中を拡散した酸化種によるＳｉ層の裏面からの酸化現象の複合現象である。パターン依存酸化により、１次元Ｓｉ細線とその両端に接続した２次元Ｓｉ層を、微細なＳｉ島とそれに接続したトンネル容量に変換して単電子トランジスタ（ＳＥＴ）を形成することが出来る。このＳＥＴの登場により、従来、極低温に限られていた、ＳＥＴの動作温度が飛躍的に向上し、常温動作が可能となった。
電気特性の揺らぎはデバイスの集積化の大きな障害である。その要因の解明をＡＦＭの揺らぎの定量解析を通して行った。ＳＥＴの電気特性の代表的なパラメータであるゲート容量は、現状のデバイスでは５０％もの揺らぎがある。酸化により微細化されたＳｉ島の大きさ（高さ、及び、幅）は５〜１０ｎｍと見積もられるので、電気特性の揺らぎが全て構造サイズの揺らぎに依るとすると、揺らぎ量は３〜５ｎｍとなる。Ｓｉ島の高さを規定しているＳＩＭＯＸ−Ｓｉ層の膜厚揺らぎは、前節で述べたように１ｎｍ以下であるので、この揺らぎの原因とはなり得ない。これに対して幅を規定している、レジストの幅揺らぎは約３ｎｍであり、電気特性から推定したサイズ揺らぎの値と良く対応する。このことは、現状のＳＥＴでの特性揺らぎの原因がリソグラフィにあり、これを改善することにより特性の均一化が図れるという見通しを与える。
６．まとめ
ＡＦＭによるナノ構造計測技術を開発し、Ｓｉナノ加工技術の発展に寄与した。ナノ構造のサイズ揺らぎの定量評価を行い、プロセス改善への指針を示した。さらに、ＡＦＭ特有の３次元形状把握能力を活かし、常温動作が可能なＳｉ−ＳＥＴデバイスを開発した。ナノデバイス・プロセス技術開発において、ＡＦＭによるナノ構造計測技術はその成功の鍵を握る技術であることを示した。
１９９７年３月
第一章 序論 1 １−１ 本論文で対象とするメソスコピックデバイスの概略 1 １−１−１ メソスコピックデバイスの研究動向 1 １−１−２ Ｓｉ系メソスコピックデバイスに必要な構造計測技術 2 １−２ 本論文で対象とするナノ加工技術の概略 4 １−２−１ ナノリソグラフィの研究動向 4 １−２−２ ナノリソグラフィに必要とされる構造評価技術 5 １−３ ナノ構造評価手段としてのＡＦＭの可能性 6 １−４ 本研究の目的 8 １−５ 本論文の構成 9 参考文献 10 第二章 ＡＦＭによるナノ構造計測技術 11 ２−１ はじめに 11 ２−２ ナノ構造計測手法の理論的背景 13 ２ー２−１ 探針形状によるＡＦＭ像の歪み 13 ２−２−２ 構造定数計測手法 15 ２−２−３ 特定形状に対するモデル化式の導出 18 ２−３ ＡＦＭナノ計測用標準試料の作製と評価 22 ２−３−１ ＫＯＨによるＳｉ（１１０）基板加工 22 ２−３−２ 矩形断面試料によるＡＦＭ探針形状把握 27 ２−３−３ ＳＥＭ及びＴＥＭ観察結果との比較 31 ２−３−４ 計測精度評価 35 ２−３−４−１ ‘static’な精度 35 ２−３−４−２ ‘dynamic’な精度 37 ２−４ エッジの丸い構造の計測 39 ２−４−１ パターンエッジ形状 39 ２−４−２ エッジの丸みのあるパターンの構造長計測 44 ２−４−２−１ 解像度とパターンエッジの丸み 44 ２−４−２−２ 構造幅計測におけるパターンエッジの丸み 44 ２−５ まとめ 48 参考文献 49 第三章 ナノ構造形成プロセス評価 51 ３−１ ナノリソグラフィへのＡＦＭ測長技術の適用 53 ３−１−１ ナノデバイス向けのＥＢ露光技術 53 ３−１−２ ビームフォーカス位置の高精度較正 55 ３−２ パターン転写プロセス 58 ３−２−１ 従来の反転プロセス 58 ３−２−２ ＥＣＲプラズマ酸化膜反転法 59 ３−３ 高精度パターン幅制御 64 ３−３−１ リソグラフィ限界を越えるための‘細らせ’処理 64 ３−３−２ ‘細らせ’処理による幅１０ｎｍ以下のＳｉ構造形成 64 ３−４ まとめ 67 ３−５ 今後の課題 68 参考文献 70 第四章 ナノオーダー構造揺らぎ評価 72 ４−１ ＳＩＭＯＸ基板のＳｉ層膜厚揺らぎ 73 ４−１−１ ナノデバイス用基板としてのＳＩＭＯＸ基板 73 ４−１−２ ＳＩＭＯＸ基板Ｓｉ層モホロジーのＡＦＭ観察 74 ４−１−３ ＳＩＭＯＸ−Ｓｉ層の平坦化 77 ４−１−４ 酸化膜／Ｓｉ界面の高温での挙動 80 ４−１−４−１ 平坦化ＳＩＭＯＸ基板界面モホロジー 80 ４−１−４−２ 熱酸化膜／Ｓｉ基板界面モホロジー 80 ４−１−５ まとめ 86 ４−２ パターン幅のナノオーダー揺らぎの検討 87 ４−２−１ 研究の背景 87 ４−２−２ ラフネスのスケーリング解析 89 ４−２−２−１ 原理 89 ４−２−２−２ データ処理 90 ４−２−３ 実験条件 92 ４−２−３−１ ＡＦＭ測定 92 ４−２−３−２ パターン幅揺らぎ計測対象試料 93 ４−２−３−３ レジスト表面ラフネスの観察 93 ４−２−４ 評価結果 94 ４−２−４−１ レジストパターン幅揺らぎ 94 ４−２−４−２ 転写プロセス後のスケール依存性 96 ４−２−５ 考察 99 ４−２−５−１ レジストのエッジラフネスと表面ラフネスとの対応 99 ４−２−５−２ 電子線照射レジスト表面の特徴 103 ４−２−５−３ パターン転写による幅揺らぎの低減について 108 ４−２−６ まとめ 110 ４−３ ナノオーダー構造揺らぎ評価に関する今後の課題 111 参考文献 112 第五章 Ｓｉ−ＳＥＴデバイスの開発 114 ５−１ ナノデバイスプロセスの統合 114 ５−２ Ｓｉ−ＳＥＴの基本的構成 114 ５−３ パターン依存酸化 119 ５−３−１ ＡＦＭによる酸化形状観察 120 ５−３−２ パターン依存酸化の特徴 122 ５−３−３ ＳＥＴ構造の酸化形状 124 ５−３−４ Ｓｉ−ＳＥＴのデバイス基本特性 126 ５−４ Ｓｉ島のサイズ揺らぎとデバイス特性揺らぎとの相関 128 ５−４−１ Ｓｉ−ＳＥＴデバイスの作製プロセス 128 ５−４−２ 電気特性の揺らぎ 129 ５−４−３ 構造サイズ揺らぎの支配的要因 130 ５−５ まとめ 132 参考文献 133 第六章 総論的総括 134 謝辞 138 業績リスト 139
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