絶縁体上SiGe仮想基板の形成機構の解明と高機能電子デバイスへの応用

• 研究課題/領域番号: 15686013
• 研究種目: 若手研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 電子・電気材料工学
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 宇佐美 徳隆 東北大学, 金属材料研究所, 助教授 (20262107)
• 研究期間 (年度): 2003 – 2004
• 研究課題ステータス: 完了 (2004年度)
• 配分額: 25,870千円 (直接経費: 19,900千円、間接経費: 5,970千円); 2004年度: 4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円); 2003年度: 21,060千円 (直接経費: 16,200千円、間接経費: 4,860千円)
• キーワード: 歪みSi / SOI / MOSFET / SGOI / SiGe / 顕微ラマン / 歪み分布 / 状態図

研究概要

SOI技術と歪みSi技術を組み合わせた歪みSOI-MOSFETは次々世代のデバイスとして期待されている。そのための基盤材料として、絶縁体上にSiGe単結晶を有するSiGe-on-insulator(SGOI;絶縁体上SiGe仮想基板)の作製技術の確立が極めて重要である。昨年度の研究において、SOI基板上へのGe膜の成長と熱処理に基づく簡便な手法を提案し、均一な組成を有し、かつ歪み緩和率が高い良質なSGOIの作製条件として、Si-Ge状態図の固相線を超えない範囲のなるべく高い温度で、長時間熱処理することが有効であるという知見が得られた。本年度は、ガスソースMBE装置を利用して、SGOI上に、歪みSi薄膜の成長を試みた。具体的には、熱処理時のキャップ層であるSiO_2膜を溶液により除去した後、MBE装置に導入し、高温下で原料ガスのジシランを供給することにより歪みSi薄膜を成長した。比較試料として、従来のSi基板上の厚膜成長によるSiGe仮想基板上のSi薄膜成長も行い、顕微ラマン分光により歪み分布の評価を行った。
その結果、従来の仮想基板上の歪みSi薄膜中には、SiGe/Si界面におけるミスフィット転位に起因するクロスハッチパターン状の歪み分布が存在するのに対し、SGOI上では、歪み揺らぎが大幅に抑制されていることがわかった。ラマンスペクトルのピーク位置の解析から、歪みSi薄膜中の歪み揺らぎの起源が、SGOI上では、SGOIにおける組成揺らぎであり、SiGe仮想基板上では、SiGe中の歪み揺らぎであることが明らかになった。SGOIにおける組成揺らぎは、成長条件により、更なる抑制が可能であると予想され、本手法で提案するSGOI基板は、高移動度歪みSOI-MOSFET作製に有用であることが示唆された。

研究成果

• [雑誌論文] Growth of SiGe-on-insulator and its application as a substrate for epitaxy of strained Si layer (2005)
  • 著者名/発表者名: N.Usami
  • 雑誌名: J.Cryst.Growth (発表予定)
• [雑誌論文] Changes in elastic deformation of strained Si by microfabrication (2005)
  • 著者名/発表者名: K.Arimoto
  • 雑誌名: Materials Science in Semiconductor Processing 8 ページ: 181-185
• [雑誌論文] Observation of strain field fluctuation in SiGe-relaxed buffer layers and its influence on overgrown structures (2005)
  • 著者名/発表者名: K.Sawano
  • 雑誌名: Materials Science in Semiconductor Processing 8 ページ: 177-180
• [雑誌論文] On the origin of strain fluctuation in strained-Si grown on SiGe-on-insulator and SiGe virtual substrates (2004)
  • 著者名/発表者名: K.Kutsukake
  • 雑誌名: Appl.Phys.Lett. 85 ページ: 1335-1337
• [雑誌論文] Fabrication of high-wuaility strain-relaxed thin SiGe layers on ion-implanted Si substrates (2004)
  • 著者名/発表者名: K.Sawano
  • 雑誌名: Appl.Phys.Lett. 85 ページ: 2514-2516
• [文献書誌] K.Kutsukake, N.Usami, 他: "Fabrication of SiGe-on-insulator by rapid thermal annealing of Ge on Si-on-insulator substrate"Applied Surface Science. 224. 95-98 (2004)
• [文献書誌] K.Sawano, S.Koh, Y.Shiraki, N.Usami, K.Nakagawa: "In-plane strain fluctuation in strained-Si/SiGe heterostructures"Applied Physics Letters. 83. 4339-4341 (2003)
• [文献書誌] K.Sawano, K.Arimoto, Y.Hirose, S.Koh, N.Usami, 他: "Planarization of SiGe virtual substrates by CMP and its application to strained Si modulation-doped structures"Journal of Crystal Growth. 251. 693-696 (2003)
• [文献書誌] N.Usami, A.Alguno, T.Ujihara, K.Fujiwara, G.Sazaki, 他: "Stacked Ge islands for photovoltaic applications"Science and Technology for Advanced Materials. 4. 367-380 (2003)
• [文献書誌] A.Alguno, N.Usami, T.Ujihara, K.Fujiwara, 他: "Enhanced quantum efficiency of solar cells with self-assembled Ge dots stacked in multilayer structure"Applied Physics Letters. 83. 1258-1260 (2003)
• [文献書誌] K.Kutsukake, N.Usami, K.Fujiwara, T.Ujihara, G.Sazaki, 他: "Fabrication of homogeneous SiGe-on-insulator through thermal diffusion of Ge on Si-on-insulator substrate"Japanese Journal of Applied Physics. 42. L232-L234 (2003)