2019 Fiscal Year Research-status Report
イオン注入法による歪みSi/SiGe/Si(110)構造の欠陥と表面形状の制御
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18K04229
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| Research Institution | University of Yamanashi |
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Principal Investigator |
有元 圭介 山梨大学, 大学院総合研究部, 准教授 (30345699)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山中 淳二 山梨大学, 大学院総合研究部, 准教授 (20293441)
澤野 憲太郎 東京都市大学, 理工学部, 教授 (90409376)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 半導体結晶 / キャリア移動度 / 電子デバイス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
電子機器で使用される半導体素子においては、微細化による高性能化に限界が訪れつつある。また、高性能化の代償として消費電力は増大傾向にある。IoT関連産業や自動車のハイテク化が進む中、半導体需要の伸びは必然であり、半導体デバイスの総電力消費量の更なる増大が懸念されている。太陽電池などの自然エネルギー源を活用する上でも、消費電力の抑制は必須である。半導体集積回路の電力消費への対策として、高移動度半導体材料の開発は重要な課題である。本研究では、高キャリア移動度を期待できる(110)面歪みシリコン薄膜の高品質化を目指している。(110)面歪みシリコン薄膜では、同じく高移動度材料であるゲルマニウムに迫る高正孔移動度が報告されている。これまでの研究ではマイクロ双晶の発生を伴う歪み緩和メカニズムについて解明してきた。マイクロ双晶の発生は表面平坦性の劣化を引き起こすため、これを伴わない歪み緩和法が求められる。本研究課題ではイオン注入法を用いてシリコン・ゲルマニウム層の歪み緩和を促進する、イオン注入歪み緩和法がこの材料系に対して試み、高品質な薄膜を開発することを目標としている。前年度までの研究で、イオン注入歪み緩和法ではマイクロ双晶を伴わない歪み緩和は誘起されるが、X線回折強度が著しく低下するなど、結晶性の劣化を示唆する結果が得られている。令和元年度は、結晶の構造評価を行い、結晶性の劣化要因を調べた。また、結晶成長条件と結晶性の関係についても前年度に引き続き調査を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
イオン注入歪み緩和法では、アルゴン・イオンをSi(110)基板上にあらかじめ注入し、シリコン・ゲルマニウムの結晶成長を行う。シリコン・ゲルマニウムの結晶性に影響するファクターとして、イオン注入条件、結晶成長前の熱処理、結晶成長温度が考えられる。これまでに行った実験条件の範囲では結晶成長前の熱処理温度は結晶性に大きく影響しないことが分かってきた。そこで、結晶成長時の基板温度が結晶性に与える影響について調べた。基板温度を５５０℃～６５０℃の範囲で変え、結晶成長を行った。通常は結晶成長前に成長時基板温度以上での高温熱処理を行うが、今回の実験では結晶成長前に成長時基板温度と同じ温度で熱処理を行った。これらの温度では表面に吸着した水素が結晶成長を阻害することが懸念されたが、同時に成長した(001)基板やイオン未注入(110)基板上へはSiGeが結晶成長しており、５００℃でも長時間の熱処理を行えば水素の脱離は十分に起きることが分かった。イオン注入(110)基板の場合、５００℃ではX線回折強度が著しく低く、結晶性が悪いことが示唆された。基板温度を上げるに従いX線回折強度は増大した。結晶の微細構造について調べるため、２次元検出器を用いたX線回折測定を行った。この結果、５５０℃では多結晶が形成され、６００℃以上では配向性が向上していることが分かった。６００℃で成長した場合の配向について、極点図測定により更に調べたところ、基板と同じ方位を持つ結晶に対し{111}を境界とする双晶が形成されていることが明らかになった。また、歪み緩和率にやや異方性があるものの、イオン注入を用いない従来の結晶成長法と比較すると異方性が小さくなっていることが分かった。このことから、イオン注入歪み緩和法では成長双晶が発生していると考えられる。成長双晶は電気特性の劣化をもたらすため、その低減が次の課題である。
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| Strategy for Future Research Activity |
６００℃・６５０℃で結晶成長した試料を比較すると、後者では双晶からのX線回折強度が低下することが確認されている。このことから、結晶性の成長時基板温度依存性について更に調べることにより、成長双晶低減への手がかりが得られるものと考えられる。また、微細構造については電子顕微鏡を用いた検討が必要であり、次年度で取り組む。成長双晶の形成がイオン注入により促進されていることが示唆されており、因果関係を明らかにすることも必要である。結晶成長前の膜中に双晶の核となる微細構造が形成されていると推測されており、詳細を調べる方針である。
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| Causes of Carryover |
研究の進捗に遅れが生じているため、試料作成のための基板・消耗品の購入費および試料分析に関わる消耗品・機器使用料分を次年度に使用する。
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