Tatsuyama Chiei

龍山 智栄

University of Toyama Repository

表面 ･ 界面反応制御に よ る高品質薄膜成長法の開発研究代表者 工学部 龍山 智栄(I)プ ロ ジ ェ ク トの 背景 ･ 目的半導体 の表面 ･ 界面反応を利用 した高品質薄膜成長や, 量子井戸, 量子細線, 量子箱などの ナ ノ構造 の 形成は , 次世代半導体デバ イ ス を創生す る手段 と して 注 目され て い る｡ 本研究で は , シリ コ ン基板上に , M B E(分子線 エ ピ タキ シ ャ ル 成長)法 を用 い て , 酸化物超伝導薄膜や SiGe 合金層を成長させ , これ らを用 い た高速電子線デバ イス 作製の 基礎技術の 確立 を目指 して い る｡今年度は シ リ コ ン 上に緩和 した SiGe 合金層 の薄膜を成長法の確立 を目指 した o SiGe はシ リ コ ン デバ イ ス か らⅢ - Ⅴ族化合物半導体デバ イ ス - 移行する過程で注 目され て い る｡ その合金 層を作製するに あたり シリ コ ン上 に種 々 の緩衝層 (バ ッ フ ァ ー 層) が提案され て い る｡我 々 は独自の 手 法と して , 低温 で数原子層 の ア モ ル フ ァ ス シ リ コ ン 層を作製 し, それ を緩衝層とする こ とで 良質の SiGe 層 の作製をす る方 法を採 っ て い る ｡ 名称 を UT A-Si バ ッ フ ァー 層と名 づ けて い る｡ こ の 手法で歪 の 少 ない SiGe 合金層の 成長が確認 でき てお り ! 数値的に は最高 80 %緩和 した SiGe 合金 の 作製に成功 して い る ｡ 今後, さらな る改善が期待され るわ けで ある が, 我々 が提案 して い る U T A-Siバ ッ フ ァ ー層 の利用 技術は 独自の も の で あり有望視される成長技術と して , 企 業と協議 して 特許化を目指 して い る ｡(2)研 究成果(2-1)U T A-Siバ ッ フ ァ ー 層を用 い て成長 した 面に 平行と垂直な面 間隔の 情報が得られ る｡sio.75Geo.25合金層の 作成化学洗浄 で 清浄化 し酸化保護膜 をつ けた Si(0 01)を超 高真空中に導入 し, 8 50℃ で 2 0分間加 熱する こ とに より, 酸化膜を除去 し,更に , Si膜をつ け, 85 0℃2 0分間ア ニ ー リ ングする こ とに より , Si(00 1)-2 × 1 表面 を作成した ｡ それ を基板 と し, そ の 上に 175℃10-3 0Å の U T A シリ コ ン バ ッ フ ァ ー 層 を積み ,siGe合金層を2 0 00Å成長 した ｡ それ を V B Lに ある高分解能 Ⅹ 線回折装置と, 原子間力顕微鏡で合金層の 歪 と表面性 を観察した｡ 図 1. V B Lの高分解能 x 線回折装置(212)Si.,5Geo.2 5合金層の 歪 と緩和図 1 に示 す高分解能 Ⅹ 線回折装置を用い 逆格子 マ ッ ピ ン グ法 で 薄膜 の 歪 を観察 した ｡ 合金層 の 回折 ピ ー ク(004)を観察する ことに より, Si表面 に平行な面 の 面間隔 の 情報が得られ , (11 3)回折 ピ ー ク の 位置か ら Si表54図 2(a),(b)は そ れ ぞ れ(004)面 近 辺 でU T A- Si バ ッ フ ァ ー 層を用 い ない 場合と, 用い た場合 の 逆格子 マ ッ ピ ン グで の 結果 を示して い る｡ 図 の 縦軸は 20 /coで , 横軸は coに相当する｡ 上 の 点の 集まり は Si基板か らの回折点で あり , 下方 の 点 の 集まりは , 作成 し7 4 57ー4 07 3 5T7 3 0∈⊂-7 2 5コ■■7 2 07 1 57 1 0-3-2-1 0 1 2 3q x X I OO, n m(a)7 4 57 4 07 3 5T 7 3 0≡⊂-7 25>,U7 207ー1 57 1 0一3-2-1 D 1 2 3q x X I O O, n m(b)図 2 . (a)U T A- Siな しと(b)U T A-Si2n m の(oo 4)面 の 逆格子 マ ッ ピ ン グ澄 格子,苛● 義旗i: I':1伊寮婦 警l-a二■.モ鐙 iJ{..)きご仁.-.･T(､ :h~:･ 軒r 愛敬;1'=iゴ(∵∵二き図 3 . 逆格子 マ ッ ピン グの 見 方た合金層か ら の 回折点を反映 して い る ｡ 組成比 0.7 5対 0.2 5を用 い バ ー ガ ー ド則 か ら求めた Sio.75Geo_25の 回折点は 図で は Siと測定された SiGe の 回折の 間に ある ｡ つ まり作成 した合金層は 両者とも完全に は 緩和 して お らず,歪 をも っ て い る こ と が わか る ｡ 図(a)と(b)を比 べ る と , U T A-Si を用 い た(b)の 方が緩和 した Si Ge 合金層 の 面間隔 に近 い こ とがわか る(図で は Si基板の 信号側 に接近 して い る)0図 3 に 逆格子 マ ッ ピ ン グ に つ い て の 説明 図を示す ｡ 合金層の 回折点の 広 がり は基板の Siの それ に 比 べ て横広 が りとな っ て い る ｡こ の こ とか ら, 面 の 方向の ばら つ き が格子 定数の ば ら つ き よ りも単結晶基板に 比 べ て 大き い こ とがわ か る｡ こ れは ア モ ル フ ァ ス 層 をバ ッ フ ァー 層 に用 い て い る影響と も考えられ る ｡ しか し, 格子定数 の ば ら つ き に つ い ては 単結晶基板 と同程度で 観測され て い る こと より】 合金層内で の格子 定数が似通 っ て いる こ と を示 して い る ｡図 4(a),(b)は そ れ ぞ れ(113)面 近 辺 でU T A-Siバ ッ フ ァ ー 層を用 い な い 場合と , 用い た 場合 の 逆格子 マ ッ ピ ン グ で の 結果 を示して い る｡ 見 て い る面 の 違 い は あ るが(oo 4)面 と 同様 の傾 向に ある ｡5 5 505.5 2 55.5 0 0∈ 5.4 75⊂ゝ5.4 50【±■5.4 2 55 4 0 02.5 5 2.6 0 2,6 5 2.7 0-1q x ･ n m(a)2.5 5 2.6 0 2 6 5 2.70tlq x , n m(b)図 4 . (a)U T A-Siな しと(b)U m -Si2n m の(113)面 の 逆格子 マ ッ ピ ン グ地表こ11b毒嘩 1 2f･1轡 こtlbie‖1 2i5 iihst 謡e[W ju毒`)OJf陳tTまgr) fl a那 珂I.tイh'- 州'hAT -･､･●.● ●く&) 近称した格子 (bう 歪 んだ格 子 は 嘘も1た格子図 5 . 歪 と緩和と逆格子 マ ッ プ図 5 に , 歪 と緩和 と逆格子 マ ッ ピ ン グの関係に つ い て 示す ｡ 図中の 膜が siGe の 合金層に対応 し, 基板が今の 場合, si(00 1)に対応する ｡ 図 4 で観測され る基板 si の 回折点の分布 の中心 と合金層 si Ge の 回折点 の 分布 の中心 の 位置関係 は 図 5 に お け る歪 が強 い 位置関係 に 見受けられ る ｡ これ ら回折点 の 中心位 置か ら数値的に 緩和 の 様子 を求 め た の が図 6 で あ る｡ 計算 した 結果 は 逆格子 マ ッ ピ ングか ら得られ る印象とは異な っ て い る ｡ 緩和の 程度は 膜厚 にも若干 の 依存性 が あり , 2n m55の U T A-Siを用 い た場合も っ ともそ の 緩和が大きく , Si 表面 に平行な面間隔は 80 %程度まで緩和 して い る こ とを示 して い る ｡℡'414山I/.L()L('L[)0∩】0∩)Luu'1uelSuOOaO!11e一U000000000U987654321%'uo!)E2Xt21a)u!eJIS0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0U T A-Sithickn e s s, n m図 6 . Si表面 に垂 直と平行な SI Ge 合金 の(a)格子 定数と(b)緩和 の 膜厚依存(2-3) 表面の ラ フ ネ ス3n m の U T A-Siを用 い て 作成 した合金層の 表面 の 平 坦性 は 原子 力顕 微鏡 を用 い て観測され た(図 7)｡ その 結果 , 表 面に は ク ロ スハ ッ チが観測されるが , 0.6n m と非常に 平 坦な値が得られ た｡ こ の こ とは , こ の 薄膜作成法 に お い て 作成され た表面 は原 子 オ ー ダ ーで平坦 な表 面 を持 つ こ とを示 して い る｡56Ro ughn e s sA n qly引 SIN a g eStati5tic 5Do 】くStati5tic 5Z r a n g e(R p) 4.1 02n MMe a n 0. Ot)In N7tH S 〔FEq〕 0. 552n HMe a n r D u !lhn e s s(Ra) 0. 415n HHA H height (7tH a X) 3. 90ヨn MThr e sll Old (H r N S)Thr e shola10l⊃t H E･ a n (FLz)Pe ak c o u ntAu p e ak heightSu rfa c e a r e a 1 .06e +001J) H2Su rfa c e a r e adirr 0.008xEFo x xdiH e n 5io n Z ,734JJNEFo x gdiH e n 5ion 3 .867p MD 2.5 5. 0 7.5 10. OJJN図 7 . 3n m の U T A-Siを用 い た SiGe の 表面(2-4) ま とめ非 常 に 薄 い ア モ ル フ ァ ス シ リ コ ン(U T A-Si)バ ッ フ ァ ー 層を用 い る こ とに より ,か なり の 程度まで緩和 した歪 の 少な い SiGe合金層 を作成する こ とができ , そ の表面は 非常に 平坦で あ る こ とが わか っ た. こ の結果はsiGe合金層作成 の た め に U T A-Siバ ッ フ ァ ー層が重 要 な役割を果 た して い る こ と を示 して い る ｡ こ の 研究開発 は始ま っ たば かりで あり, 種 々 の 改善で より高品質 の SiGe 層が期待される｡ 本研究に続く , ア ニ ー リ ン グに よる界面 の 安定性 ､ 相互拡散に つ い て は 非常勤研 究者 の ペ ー ジで 紹介する ｡(3) プ ロ ジ ェ ク トの成果本研 究で 明らか に した ように U T A-Siを用い た成長法で Si上 に緩和 した 歪 の 少 ない SiGe合金層を作成す る こ とが できた ｡ こ の 方法は従来提案され て い る傾斜型 の合金 バ ッ フ ァ ー 層, 低温合金バ ッ フ ァ ー 層や傾斜型超格子 バ ッ フ ァ ー 層と 比 べ , 厚さを大幅に減少 させ る こ と が でき る ､ とい う点 で格段に優位 で あると考 え られ る｡ こ の 研究開発 は始ま っ たばか りで あ り新規性 も高 い ｡本デ ー タ を基礎 と して 10 0 %緩和 した合金層 - の 改善が望まれ る｡ そ の た め には , 作成条件 の 見直しや作成後 の ア ニ ー リ ン グの 工夫 によ る改善が考 えられ る｡(4) プ ロ ジ ェ ク ト成果の応用 ･ 効果 ･ 構想こ の SiGe層 の成長法に つ いて は独自なもの で あり , アイデア と して十分 に特許化 でき るものである｡ 平成14､ 16年度に共同研究を して い た企業と! 現在, 特許化に 向けて調整中で ある｡(5) 利用施設本報告書の Ⅹ 線回折にか かわるデ ー タは V B L内の 高分解能 Ⅹ 線回折装置を用 い て得 られたもの で あり , そ の装置 の 性能 を十分に活用 して い る｡(6) その他"srTiO3誘電体薄膜成長法 の 開発''我 々 は, SiGe合金層成長法 の 開発と ともに, シ リ コ ン 上 に絶縁体で 且つ 高い 比誘電率を持つ誘電体薄膜の 成長法に つ い て研究開発 を進 めて い る｡こ の 特徴は ,① 超伝導体, Ⅲ - Ⅴ族 などの 化合物半導体 をシ リ コ ン チ ッ プ の 上に載せ るとき重要な結晶性絶縁材料と して ､② D RAM などデバ イ ス の小型化に伴い , 酸化 シ リ コ ン絶縁層に取 っ て代わ る高誘電率材料 と して ､期待されて い るこ と で ある ｡こ の 結晶性 と表面 の 平坦性 に優れた srTiO3高品質薄膜は分子線 エ ピ タキ シ ャ ル 成長法で作成されて い る｡ ①で の 重要な点は SrTiO3 の 格子定数が シ リ コ ン の 格子定数に近 い た め に エ ピタ キ シャ ル成長する の で , 作成 した薄膜 の 結晶性が 高い と こ ろに ある｡ 単なる絶縁膜 と して は酸化 シリコ ン で十分で あるが , 結晶性薄膜デバ イ ス をSi基板上 に電気的に絶縁して作成す るた め には, 結晶性の 高い絶縁バ ッ フ ァ ー 層が必 要となる｡ そ の バ ッ フ ァ ー 層と して SrTiO3結晶性薄膜が有用である｡ ②で の 重要な点は バ ル ク SrTiO3 の 比誘電率は 3 00もあり , 同じ絶縁層膜厚を用 い るなら,大きな電気的容量が得 られ る こ と にある｡現在の研究開発段階で は薄膜と して は高品質なも の が得 られて い るが , 電気的な特性に つ いて は信頼性や再現性 な ど細部に わた っ て , 信頼性の あるデ ー タ を取る必要が ある｡57

表面・界面反応制御による高品質薄膜成長法の開発(超高速情報伝達デバイスの創製と応用)

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表面・界面反応制御による高品質薄膜成長法の開発(超高速情報伝達デバイスの創製と応用)

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