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

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15686013
• 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)
• キーワード: 歪みSi / SOI / MOSFET / SGOI / SiGe / 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は、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。本研究においては、SOI基板上にGe層を成長させ、Ge融点を超える温度で熱処理を行うという簡便な手法により、絶縁体上にSiGe結晶層(SGOI)を作ることを提案し、その形成機構について検討を行った。
SGOIは、SOI(001)ウエハー(canon ELTRAN)上に固体ソースMBEによりGeを30℃で成長させた後、キャップ層(SiO_2)をスパッタ蒸着させ、Ar雰囲気中において熱処理を行い作製した。この際、SOI層厚、Ge層厚、熱処理温度、時間を系統的に変化させ、初期構造と熱処理条件との相関を詳細に検討した。
その結果、SGOIの組成均一性は、初期構造と、熱処理条件に依存して、組成が均一になる場合と、ミクロンオーダーで組成が不均一になる場合に分けられることが、顕微ラマン分光の結果より明らかになった。初期構造のSOI厚とGe薄膜の厚さで決定されるSGOIの平均組成・熱処理温度と、組成の均一性の相関を調べたところ、SiGeの状態図と関係していることがわかった。具体的には、固相線以下の温度での熱処理では、組成が均一であり、固液共存領域における熱処理では、組成が不均一になることがわかった。
また、熱処理時間と、結晶性および歪み緩和率との関係を、X線ロッキングカーブにより調べたところ、熱処理時間が長いほど、結晶性もよく、歪み緩和も進行することがわかった。つまり、良質で、歪み緩和したSGOIを得る指針として、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。

研究成果

• [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)