シリコン基板上3C-SiC薄膜の低温成長

2000 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 11450127
• 研究機関: 九州工業大学
• 研究代表者: 宮里 達郎 九州工業大学, 情報工学部, 教授 (90029900)
• 研究分担者: 孫 勇 九州工業大学, 情報工学部, 助手 (60274560) ; 今村 恭己 九州工業大学, 情報工学部, 教授 (60037950)
• キーワード: 炭化珪素 / 水素プラズマ / プラズマスパッタリング / 低温成長 / 成長初期段階 / 活性化エネルギー / シリコン基板 / 格子不整合

研究概要

水素プラズマスパッタリング法を用い800℃前後の温度でシリコン基板上に3C-SiC薄膜を作成することは本研究の目的である。現段階では、次のような結果が得られている。
(1)水素プラズマの利用によってSiC薄膜の成長温度が下げられるが、連続なSiC薄膜が成長する前の初期段階に、シリコン基板表面がプラズマによってエッチングされ、薄膜/基板界面に空洞が形成される。界面の空洞化は薄膜の性質に深刻な影響を与える。この問題を解決するために、基板付近のプラズマ条件の制御が必要である。実験の結果プラズマ-基板の電流強度に閾値が存在し電流の方向と関係なくこの値を超えると、シリコン基板がエッチングされる。また、この値は基板温度の増加に減少傾向にある。薄膜成長初期段階に基板付近のプラズマ電界や荷電粒子密度などのプラズマ条件を制御すればシリコン基板エッチングの防止は可能である。
(2)SiCとSiの格子定数に約20%の差があるため、成長初期段階に応力のせいでSiCは微粒子を形成する性質がある。通常のCVD成長の場合、この成長の活性化エネルギーは約14.1Kcal/molに対し、本実験の方法では約三分の一の5.6Kcal/molである。水素プラズマの利用によって結晶化温度が下がる一方、初期の微粒子成長は発生しやすくなると判明した。
(3)プラズマ雰囲気中の混入酸素やシリコン基板中の吸蔵酸素は、SiC薄膜の成長に影響を及ぼす。まず、プラズマ成長雰囲気に微量な酸素を混入した場合、酸素は薄膜に導入され安定な構造を形成し、薄膜の結晶性が悪化し抵抗率やドーパントの活性化率などに影響を与える。基板温度の低い場合薄膜中にSiO2結晶を形成するが、基板温度が高くなると、薄膜の組成が著しく変化することがわかった。次に、650℃以上の成長温度では、基板中の吸蔵酸素の影響が無視できなくなる。つまり、酸素を多く含むシリコン基板は、SiC薄膜の支持基板として適切ではないことを判明した。成長温度が650℃を超えると、酸素欠陥からシリコン基板が蒸発しはじめ、基板空洞化が進む。基板の空洞化によりSiC薄膜の結晶性を著しく劣化させることが判った。

研究成果

• [文献書誌] Yong Sun,Kenta Kirimoto and Tatsuro Miyasato: "Fabrication of Nanoscale Cubic SiC Particle Film"Japanese Journal of Applied Physics. 39. 6202-6207 (2000)
• [文献書誌] Yong Sun,Tatsuro Miyasato and J.Keith Wigmore: "Enhanced Evaporation from Highly Strained Si Crystal Surface"Journal of Applied Physics. 87. 8483-8486 (2000)
• [文献書誌] Yong Sun and Tatsuro Miyasato: "Improvement of Annealing Properties of SiC/Si Structure"Japanese Journal of Applied Physics. 39. L369-L399 (2000)
• [文献書誌] Yong Sun,Tokihiro Ayabe and Tatsuro Miyasato: "Activation Energy of Nanoscale 3C-SiC Island Growth on Si Sunstrate"Japanese Journal of Applied Physics. 38. L1166-L1168 (1999)
• [文献書誌] Yong Sun,Tokihiro Ayabe and Tatsuro Miyasato: "Influence of SiC Cover Layer of Si Substrate on Properties of Cubic SiC Films Prepared by Hydrogen Plasma Sputtering"Japanese Journal of Applied Physics. 38. L714-L716 (1999)
• [文献書誌] Tatsuro Miyasato,Yong Sun and J.Keith Wigmore: "Growth and Characterization of Nanoscale 3C-SiC Islands on Si Substrate"Journal of Applied Physics. 85. 3565-3568 (1999)