多層エピ成長による結晶配向転換を用いたＣМОＳプロセスの革新

2013 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 25600091
• 研究種目: 挑戦的萌芽研究
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 末光 眞希 東北大学, 電気通信研究所, 教授 (00134057)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2016-03-31
• キーワード: 3C-SiC / ヘテロエピタキシ / CMOS / 断面TEM観察 / 双晶 / 面欠陥

研究概要

MOSデバイスはこれまでSi(100)基板上に構築されてきた。それはこの面方位においてSi/SiO2の界面準位が最小で、その結果、電子移動度が最大だからである。その一方、Si(100)面の正孔移動度は電子移動度の約30%と低く、このためCMOSではNMOSとPMOSの動作速度を合わせるべく、前者をわざと大きく作っており、そのことがCMOSデバイスの更なるスケーリングを阻む一因となっていた。本研究は、申請者らが構築してきた結晶成長技術の最新の成果を組み合わせ、正孔移動度がSi(100)面に比べて2倍以上も高いSi(110)基板上にSi(111)結晶をエピタキシャル成長させるという、これまでにない発想の革新的CMOS技術を提案し、原理的実証を行うことを目的として研究を行った。
初年度である2013年度は、Si(110)基板上に成長させた3C-SiC(111)結晶薄膜の断面TEM観察を行った。その結果、Si(110)基板上3C-SiC(111)回転エピ成長では、回転エピ成長領域以外に僅かながら非回転エピ成長領域が存在し、その境界にドメインバウンダリ（DB）と呼ばれる面欠陥が存在すること、DBはSiC/Si界面の荒れを原因として発生すること、一方、回転3C-SiC(111) 領域内にも、互いに双晶関係にある2種類の領域が存在し，その界面にDPBが発生すること、そしてこれら3C-SiC内の構造欠陥は、その上に形成したグラフェン（GOS）に欠陥を発生させることを明らかにした。また、この問題を解決する為、固相による炭化層形成を試み，初の固相炭化層の形成に成功した。
さらに、回転3C-SiC(111)基板上にSiエピ成長を試み、Si(110)基板上に3C-SiC(111)薄膜を介してSi(111)薄膜形成が可能であることを見出した。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

当初計画では、本年度、SiC／Si成膜実験を行い、良好な3C-SiC(111)薄膜上Si(111)薄膜形成が成立する最適化条件を探索する予定であった。しかし、Si(110)基板上3C-SiC(111)薄膜上の断面TEM観察の結果、SiC／Si界面構造の荒れに起因する二次元欠陥が存在することが判明したため、不完全な3C-SiC薄膜の上にSi薄膜を形成しても所期の目的を達成することは出来ないと判断、SiC／Si界面の平坦化に取り組んだ。具体的には固相炭素によるSi炭化を検討し、同法によってもSiC／Si界面が形成可能であることを初めて明らかにした。
以上の判断より、当初予定だった3C-SiC(111)薄膜上Si(111)薄膜形成の最適化条件探索は行うことが出来なかったが、その代わり、Si(110)基板上3C-SiC(111)薄膜形成の最適化に関する重要な知見と処方箋を得ることが出来た。これは大きな成果である。
一方、第二の当初目的である3C-SiCおよびSiエピ薄膜の結晶性評価に関しては、前者に関して詳細な断面TEMを行うことが出来、順調に推移している。よって昨年度の進捗はおおむね順調に推移したと判断される。

今後の研究の推進方策

昨年度の知見を踏まえ、本年度は（１）Si(110)基板上3C-SiC(111)回転エピ薄膜の一層の高品質化（固層炭化法の最適化）、（２）3C-SiC(111)薄膜上Si(111)へテロエピ成長の最適化、（３）エピ膜の結晶性評価（AFM，XTEM, XRD, Raman, PL, ｴｯﾁﾋﾟｯﾄ観察）、電気活性欠陥の特定（SSRM, EBIC, PEM）、極性面制御によるSF会合消滅とAPB解消、分光エリプソメトリによる膜厚評価、FTIRによる結晶性評価、XRDによる結晶配向性評価、ロッキング半値幅による結晶性評価、EBSDによる結晶配向性分布評価、（４）ショットキバリアダイオードによる電気特性評価を行う。

次年度の研究費の使用計画

年度末に予定していたSiC薄膜のXRD測定が、サンプル準備が間に合わなかったため、次年度に繰り越されたため。
前年度繰越金と合わせて、SiC薄膜の評価を年度前半に注力し、年度後半からSiエピ膜の評価に移行する予定である。

研究成果

• [雑誌論文] Epitaxial graphene formation on 3C-SiC/Si thin films (2014)
  • 著者名/発表者名: Maki Suemitsu, Sai Jiao, Hirokazu Fukidome, Yasunori Tateno, Isao Makabe, Takashi Nakabayashi
  • 雑誌名: Journal of Physics D 巻: 47 ページ: 094016-1-11
  • DOI: 10.1088/0022-3727/47/9/094016
  • 査読あり
• [学会発表] High quality graphene formation on 3C-SiC/4H-AlN/Si heterostructure
  • 著者名/発表者名: S. Jiao, Y. Murakami, Y. Tateno, T. Nakabayashi, H. Fukidome, and M. Suemitsu
  • 学会等名: HeteroSic-WASMPE2013
  • 発表場所: Nice, France
• [学会発表] Si(110)基板上3C-SiC(111)回転エピ膜上に形成したエピタキシャルグラフェンの断面TEM 評価
  • 著者名/発表者名: 三本菅 正太，長澤 弘幸，Sergey Filimonov ，伊藤 駿，吹留 博一，末光 眞希
  • 学会等名: 第74回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 京都
• [学会発表] From 3C-SiC growth to graphene formation using 4H-AlN(0001)/Si(111) heterostructure
  • 著者名/発表者名: Sai Jiao, Hirokazu Fukidome, Yasunori Tateno, Takashi Nakabayashi and Maki Suemitsu
  • 学会等名: 2013 JSAP-MRS Joint Symposia
  • 発表場所: 京都
• [学会発表] Epitaxial Graphene Formation on 3C-SiC(111)/4H-AlN(0001) Double Layer Stacking on Si(111) Substrates
  • 著者名/発表者名: S. Jiao, H. Fukidome, H. Nagasawa, S. Filimonov, M. Tateno, I. Makabe, T. Nakabayashi, and M. Suemitsu
  • 学会等名: The International Conference on Silicon Carbide and Related Materials
  • 発表場所: 宮崎
• [学会発表] Surface Energy Anisotropy of Clean and Hydrodgen Covered 3C-SiC Surfaces
  • 著者名/発表者名: S.N. Filimonov, Yu.Yu. Hervieu, S. Jiao, S. Sambonsuge and M. Suemitsu
  • 学会等名: ACSIN-12&ICSPM21
  • 発表場所: つくば
• [学会発表] Heteroepitaxy of 3C-SiC on Si and Formation of Epitaxial Graphene
  • 著者名/発表者名: M. Suemitsu
  • 学会等名: 半導体に関する日露合同セミナー
  • 発表場所: 仙台
  • 招待講演
• [学会発表] XRD and Raman-Spectroscopic Evaluation of Graphene on 3C-SiC(111)/Vicinal Si(111) Substrate
  • 著者名/発表者名: N. Haramoto, S. Inomata, S. Sambonsuge, H. Fukidome and M. Suemitsu
  • 学会等名: ALC'13
  • 発表場所: Hawaii, USA
• [学会発表] Si(110)基板上3C-SiC(111)結晶方位回転エピ膜の断面TEM評価
  • 著者名/発表者名: 三本菅 正太、長澤 弘幸、伊藤 駿、吹留 博一、末光 眞希
  • 学会等名: SiC及び関連半導体研究 第22回講演会
  • 発表場所: 浦和
• [学会発表] 微傾斜Si(111)基板上3C-SiC(111)薄膜の断面TEM評価
  • 著者名/発表者名: 原本 直樹、長澤 弘幸、伊藤 俊、吹留 博一、末光 眞希
  • 学会等名: SiC及び関連半導体研究 第22回講演会
  • 発表場所: 浦和
• [学会発表] 3C-SiC/Si(111)ヘテロエピタキシャル界面から発生する積層欠陥の抑制
  • 著者名/発表者名: 細谷友崇、三本菅正太、長澤弘幸、伊藤俊、吹留博一、末光眞希
  • 学会等名: SiC及び関連半導体研究 第22回講演会
  • 発表場所: 浦和