シリコン量子構造体の形成・物性制御と室温動作デバイスへの応用

1999 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 10305026
• Research Institution: Hiroshima University
• Principal Investigator: 宮崎 誠一 広島大学, 工学部, 助教授 (70190759)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 村上 秀樹 広島大学, 工学部, 助手 (70314739) ; 香野 淳 福岡大学, 理学部, 講師 (30284160)
• Keywords: シリコン / 量子構造 / 量子ドット / 減圧CVD / 自己組織化形成 / 原子間力顕微鏡 / 選択成長 / 表面化学結合

Research Abstract

SiH_4ガスの減圧CVD(LPCVD)において、シリコン酸化膜(SiO_2)上での反応初期過程を精密制御して、シリコン量子ドットや量子細線構造を自己組織化形成する技術を確立するための研究を推進した。特に、室温動作するシリコン量子デバイスの実現する上で、要となる形成制御技術、具体的には、寸法および形成位置を自在に制御する技術の開発に力点を置いた。昨年度までの研究で、シリコン酸化膜表面に意図的に形成したSi-OH結合がLPCVDの反応活性サイトになる事を実験的に明らかにした。また、クリーンルーム大気下で必然的に生じる表面汚染(有機物や吸着水)が、Si初期核形成における選択性を著しく低下させる要因であることを示した。本年度は、高選択・高精度位置制御技術の開発に向け、表面汚染を実質的に最小限度に抑えることができる以下の2つの手法を検討した。手法1)先ず、Si-AFM探針を用いて水素終端Si表面をクリーンルーム大気下で陽極酸化し、極微細SiO_2パターンを形成する。その後、乾燥酸素雰囲気中(23Pa)で1000℃熱処理してSiO_2パターンの原子密度向上させ、続いて、0.1%HF処理により、SiO_2パターン表面をSi-OH結合終端にした。この時、パターン以外の表面は、極薄SiO_2膜が完全に除去されて水素終端となる。この試料を、表面Si-OH結合が安定に残留する750℃で再酸化すると、水素終端表面には、Si-O-Si結合が形成して、SiO_2膜上に微細なSi-OH結合領域が形成できる。引き続き、大気に曝すこと無くこの表面にLPCVDを施す事で、高さ3〜5nmのSi量子ドットを50nm以下の間隔で規則配列する事に成功した。手法2)では、真空一環プロセスによる量子ドット位置制御技術を検討した。具体的には、Si基板上に極薄SiO_2膜を形成し、この表面を大気に曝すこと無く〜10^<-5>Paの水素分圧下で、バイアス印加したPt/Ir-STM探針で走査した。清浄なPt/Ir探針表面には、水素は解離吸着し、探針-試料(SiO_2/Si)間に±10V程度のバイアス印加すると、原子状水素はイオン化脱離して試料表面に到達する。負バイアス印加した探針先端からは、原子状水素(負イオン)ビームと共に低エネルギー電子ビームがSiO_2膜表面に照射されるので、電子ビーム照射で生成されたダングリングボンドを水素が効率良く終端するために、反応活性サイトとなるSi-OH結合やSi-H結合の生成効率が極めて高くなる。原子状水素ビーム照射した試料を、大気に曝すこと無くLPCVD反応炉へ真空搬送して、シリコン量子ドットおよび量子細線の規則アレイ構造を形成して、反応活性サイトを確実に生成できる照射条件を明らかにした。これにより、シリコン量子デバイスの基本構造を形成する見通しを得た。

Research Products

• [Publications] Seiichi Miyazaki: "Silf-Assembling of Silicon Quantum Dots and Its Application to Floating Gate Memory"Digest of Papers of 1999 Intern.Microprocesses and Nanotechnology Conf.. 84-85 (1999)
• [Publications] Naoji Shimizu: "Charging States of Si Quantum Dots as Detected by AFM/Kelvin Probe Technique"Extended Abstract of Intern. Conf. on Solid State Devices and Materials. 80-81 (1999)
• [Publications] Seiichi Miyazaki: "Nucleation Site Control in Self-Assembling of Si Quantum Dots on Ultrathin SiO_2/c-Si"Abstracts of Intern.Symp. on Surface Sci. for Micro and Nano-Device Fabrication. 102-103 (1999)
• [Publications] Seiichi Miyazaki: "Self-Assembling of Si Quantum Dots-Nucleation Site,Size and Areal Density Control-"Abstracts of Workshop on Silicon Nanodevices. 1-4 (1999)
• [Publications] Seiichi Miyazaki: "Luminescence Study of Self-Assembled Silicon Quantum Dots"Mat.Res.Soc.Symp.Proc.. 536. 45-50 (1999)
• [Publications] Seiichi Miyazaki: "Control of Self-Assembling Formation of Nanometer Silicon Dots by Low Pressure Chemical Vapor Deposition"Thin Solid Films. (印刷中). (2000)
• [Publications] Naoji Shimizu: "Charging States of Si Quantum Dots as Detected by the AFM/Kelvin Probe Technique"Jpn.J.Appl.Phys.. (印刷中). (2000)