st grown layer (a) Before coalescence

2nd grown layer

Horizontal growth Epitaxially grown layer

7/////////74////S/b/stzr/at/ /1/////////

1 st grown layer (a) Before coalescence

Coalescence point Further grown layer

(b) Beginning of nuclei coalescence

Fig. 3.16

(c) Further coalescence

Cross-sectional model of nuclei

coalescence

60

な っ て い る と 考 え られ る.

こ の よ う な 付 着 分 子 密 度 の 基 板 温 度 依 存 性 は,基 板 に 飛 来 し たsi分 子 の 表 面 滞 在 時 間 に 起 因 し て い る と 考 え ら れ る.Si分 子 の 表 面 滞 在 時 間 と は,si分 子 が2次 元 核 形 成 に 寄 与 で き る 付 着 分 子 と な っ て い る 時 間,す な わ ち 付 着 分 子 が ス テ ッ プ な ど の 表 面 欠 陥 に 捕 捉 ・結 晶 化 さ れ る ま で,あ る い は 基 板 表 面 か ら 脱 離 す る ま で の 時 間 で あ る が,基 板 温 度 に 依 存 し た 表 面 滞 在 時 間 は 後 者 で あ る.こ れ ら の 考 え に 基 づ い て,表 面 欠 陥 の な い 完 全 平 面 へ の 分 子 入 射 を 仮 定 し,そ の 付 着 分 子 密 度 と 表 面 滞 在 時 間 の 関 係 を 以 下 の よ う に 考 察 し た.

あ る 単 位 面 積Sに 時 間 △t,ご と にM個 の 分 子 が 同 時 に 飛 来 し,か つ 分 子 が 脱 離 す る ま で の 滞 在 時 間 を △t,と す る.△t,が △t,よ り も 大 き い 場 合 に は,△t、 の 問 の 付 着 分 子 密 度 は M/S[atoms/cm「 と な り,(△t「 △t,)の 間 で は0と な る.す な わ ち,付 着 分 子 密 度 は 分 子 線 入 射 量 の み に 依 存 す る.他 方 △t1が △t,よ り 小 さ い 場 合 に は,付 着 分 子 密 度 は (△t、/△tl)M/S[atoms/cm2]に 収 束 す る.し た が っ て,付 着 分 子 密 度 は 分 子 線 入 射 量 と と も に 滞 在 時 間,す な わ ち 基 板 温 度 に も 依 存 す る.一 般 に 基 板 温 度 が 高 い ほ ど 表 面 滞 在 時 間 △t,は 短 く な る た め,結 果 的 に 付 着 分 子 密 度(△t,/△t、)M/S「atoms/cm2]も 低 く な る96)119).こ の こ と は 図3.5で 示 し た 結 果 と よ く 一 致 し て い る こ と か ら,本 実 験 の 分 子 線 入 射 量 に お い て は,表 面 滞 在 時 間 △t,が △t,よ り も 大 き か っ た も の と 考 え ら れ る.以 上 の こ と か ら,付 着 分 子 密 度 な ら び に 核 発 生 密 度 は,分 子 線 入 射 量 と と も に 基 板 温 度

に も 依 存 し て い る こ と が 明 ら か と な っ た.

以 上 の こ と か ら,基 板 温 度600お よ び700℃ の エ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 面(図35(b),

(c))が 表 面 粗 さRaが1nm以 下 の 平 坦 面 と な っ た 理 由 が 説 明 で き る.す な わ ち,基 板 温 度600℃ お よ び700℃ に お い て は,初 期 の 核 発 生 密 度 が 十 分 に 高 く,成 長 膜 厚 が 10nmに 達 す る 前 に す べ て の 核 が 既 に 融 合 し,個 々 の 核 が 大 き く 成 長 し な か っ た た め と 考 え ら れ る.そ の 結 果 と し て,も と の 基 板 表 面 と 同 程 度 の 平 坦 面 が 創 成 さ れ た も の と 考 え ら れ る.ま た,基 板 温 度850℃ で は 核 発 生 密 度 が 低 い に も 拘 わ ら ず,基 板 温 度 800℃ の 場 合 よ り も 核 の 融 合 段 階 が 進 ん で い る.こ の こ と は ,基 板 温 度 が 高 い ほ ど 核 発 生 密 度 は 低 く な る が9個 々 の 核 の 水 平 方 向 成 長 は よ り促 進 さ れ る こ と を 示 唆 し て い る.さ ら に,核 発 生 密 度 が 高 い ほ ど早 い 殻 階 で 核 の 融 合 過 程 が 開 始 す る こ と を 利 用 す れ ば,成 長 面 の 結 晶 性 が 良 好 と な る 基 板 温 度800℃ や850℃ に お い て も,さ ら に 高 い 分 子 線 入 射 量 でMBE成 長 さ せ れ ば,基 板 温 度600℃ で の 成 長 面 の よ う なRaがU .1nm程 度 の 平 滑 面 が 得 ら れ る こ と が 期 待 で き る.

(4)フ ァセ ッ ト形 成 の観 点 か らの解 析

図3・5で示 した よ うに,エ ピタ キ シ ャル 成長 面 に形 成 され て い た隆 起(3次 元 核)は , 角 す い 台 形 状 を 基 本 と して 形 成 され て い る ・ す な わ ち ,核 の 側 面 に は[1丁0]お よ び [110]晶 帯 の 結 晶 面 が 形 成 され て い る.こ の こ とは エ ピ タ キ シ ャル 成 長 に よ る 面創 成 機構 が結 晶異 方性 を有 して い る こ とを示唆 して い る.KOHやEDPな どに よ っ てSiに 結 晶 異 方性 エ ッチ ン グを施 す と,創 成 され る形 状 の側 面 に は低 指 数 面 の フ ァセ ッ トが 形

0

U

5

4

3

2

750

Vr=1.Ox 10'a F.=10nm

atoms/(s-cm-)

800

Substrate temperature °C 850

Fig. 3.17

Initial nucleation density plotted against substrate temperature (Vr: Molecular beam incident rate, Ft: grown thickness)

62

成 さ れ るi2),3i1.そ の よ う な 異 方 性 エ ッ チ ン グ に お け る フ ァ セ ッ ト形 成 機 構 は ・ 平 井 ら に よ っ て 実 験 的 か つ 理 論 的 に 解 析 さ れ て い る33).ま た,市 川 ら 耳 究 に よ れ ば,Si‑

siの ホ モ エ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 の 場 合 に は,(311)が フ ァ セ ッ ト と し て 形 成 さ れ や す い こ と を 報 告 し て い る17b).[1丁0]お よ び[110]晶 帯 に 属 し て い る(001)近 傍 の{311}面 と し て は,(丁 了3),(113),(113)お よ び(丁13)が 存 在 し て お り,こ れ ら の 結 晶 面 と (001)が な す 角 度 は 約24。 で あ る.そ こ で,MBEに よ っ て 創 成 さ れ る 隆 起 側 面 と 水 平 面 が な す 角 度 か ら 結 晶 面 を 同 定 し,MBEに お い て も{311}な ど の 低 指 数 面 の フ ァ セ ッ

ト形 成 が 生 じ て い る か ど う か を 調 査 し た.

基 板 温 度750℃ 〜850GCの エ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 面(図3。5(d)〜(f))に お け る,隆 起 側 面 と 水 平 面 が な す 角 度 を 表3.4に 示 す.い ず れ の 基 板 温 度 に お い て も,そ れ ら の 隆 起 側 面 と 基 板 面 が な す 角 度 は15。 以 内 と 浅 く,か つ 一 様 で は な か っ た.し た が っ て, 核 の 側 面 が 低 指 数 面 の フ ァ セ ッ トの み で 形 成 さ れ て は い な い と 考 え ら れ る.ま た,基

板 温 度 に よ っ て 構 成 し て い る 結 晶 面 が 異 な っ て い る こ と か ら,そ れ ら の 結 晶 面 は 核 の 発 生 密 度 な ら び に 融 合 段 階 に よ っ て 変 化 す る も の と 考 え ら れ る,こ れ ら の こ と か ら, Siの 結 晶 異 方 性 エ ッ チ ン グ に お け る フ ァ セ ッ ト形 成 機 構 の 概 念 は,MBEに よ る 面 創 成

に 適 用 で き な い も の と 考 え ら れ る.た だ し,こ れ ら の 核 側 面 の 調 査 結 果 に よ れ ば,核 の 側 面 は 平 坦 で は な く 原 子 レ ベ ル の 凹 凸 が 存 在 し て い る こ と が 明 ら か と な っ た .こ の こ と は,核 の 側 面 に 微 細 構 造 が 形 成 さ れ て い る こ と を 示 唆 す る も の で あ る.そ の よ う な 微 細 構 造 に{311}な ど の 低 指 数 面 フ ァ セ ッ トが 形 成 さ れ て い る と 仮 定 す る な ら ば, 図3.18に 示 す よ う に,そ れ ら は 極 め て 微 小 な マ イ ク ロ フ ァ セ ッ トで あ り,そ れ ら の マ ク ロ フ ァ セ ッ ト が{001}あ る い 高 指 数 面 の フ ァ セ ッ ト と 交 互 に 形 成 さ れ て い る と 考 え ら れ る.こ の こ と を 検 証 す る た め に は,エ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 面 を 超 高 真 空 環 境 下 に 保 持 し た ま まSTMで 観 察 す る 必 要 が あ る が,そ の よ う な 観 察 を 本 実 験 装 置 で 実 現 す る こ

と は で き な い.ま た,本 研 究 で は,低 指 数 面 の フ ァ セ ッ ト形 成 と は 別 の 考 え 方 と し て , 原 子 層 ス テ ッ プ の 沿 っ た エ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 が 結 晶 異 方 的 に 進 行 す る と の 考 え に 基 づ き,創 成 さ れ る 微 細 形 状 の 幾 何 的 特 徴 を 解 析 し て い る .そ の 結 果 は 本 論 文 の 第5章 で 詳 細 に 述 べ て い る.

3.5.3(111)基 板 上 の エ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 面 の 幾 何 形 状 に 関 す る 考 察 (1)(111)基 板 に お け る 成 長 モ ー ド

基 板 温 度750〜850℃ で エ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 さ せ た 表 面(図3 .6(d)〜(f))は 周 期 的 な ス テ ッ プ 列 に 覆 わ れ て い た ・・ こ の よ う な ス テ ッ プ 列 は,図3.19(a)で 示 す よ う な ス テ ッ プ フ ロ ー 成 長 に よ っ て 形 成 さ れ る93)̲96)・ し た が っ て,3 .5.1項 で 示 し た(3 .3)式 が 成 立 し て お り ・ エ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 前 の 表 面 状 態 が(001)基 板 の 場 合 と は 異 な っ て い た も の と 考 え ら れ る ・ 前 述 の よ う に(001)基 板 で は

,サ ー マ ル ク リ ー ニ ン グ 後 も 基 板 表 面 が 不 純 物 層 で 覆 わ れ て い た た め に ,35.1項 で 示 し た(3.2)式 が 成 立 し て3次 元 核 成 長 が 生 じ た と 考 え ら れ る ・ い ず れ の 基 板 と も 同 様 の 基 板 面 準 備 工 程 を 経 て い る こ と か

ら,(111)Si基 板 が(001)Si基 板 に 比 べ て ウ エ ッ ト洗 浄 中 の 汚 染 に 対 し て 耐1生 が 高 く , かっ サ ー マ 砂 リ ー ニ ン グ に よ っ て 不 糸屯物 層 が ほ と ん ど 除 去 で き た た め に

,結 果 的 に

Table 3.4

Face angle of nuclei on (001)Si

Substrate temperature (°C)

_{750 800 850}

Sample number 20 20 20

Maximum angle (°)

_{6.6 13.5 5.7}

Minimum angle (°)

_{2.3 3.2 1.8}

Average angle (°)

_{4.1 7.7 4.0}

Observed wall faces of generated nucleus

Fig. 3.18

True or vicinal (001)

1} facet A

Epitaxially grown layer

%/~~ Substrate, //

Proposed model of side wall facets

エ ビ タ キ シ ャ ル 成 長 前 の(111)基 板 表 面 は ス テ ッ プ フ ロ ー 成 長 が 生 じ る に 十 分 な 清 浄 面 で あ っ た も の と 考 え ら れ る.

こ の よ う な(001)と(lll)基 板 に お け る 表 面 状 態 の 違 い は,表 面 原 子 配 列 に 起 因 し て い る と 考 え ら れ る.基 板 表 面 の 不 純 物 分 子 を 安 定 な 吸 着 状 態 と し た り,あ る い はSi分 子 と 不 純 物 分 子 か ら シ リ カ 系 化 合 物 を 形 成 す る 駆 動 源 は,高 い 自 由 エ ネ ル ギ を 有 す る

固 体 表 面 の ダ ン グ リ ン グ ボ ン ドで あ る,超 高 真 空 中 や 溶 液 中 で は 異 な っ た 表 面 原 子 配 列 を 形 成 し て い る が,す べ て の 原 子 配 列 の 基 本 と な っ て い る バ ル ク 切 断 面,す な わ ら 理 想 表 面 に お け る ダ ン グ リ ン グ ボ ン ド 密 度 を 計 算 す る と,(lll)基 板 で は 7.82×10'"bond/cm2で あ り,(001)基 板 で は13.56×1014bond/cm̀で あ る.し た が っ て,

ダ ン グ リ ン グ ボ ン ドの 密 度 の 基 づ け ば,(lll)基 板 表 面 の 方 が よ り 不 活 性 で あ る た め, 不 純 物 に 対 す る 耐 性 が 高 い と い え る.ま た,広 瀬 ら はSi基 板 表 面 の 汚 染 の 程 度 を 調 査

し て お り,本 研 究 と は 基 本 と な る ウ エ ッ ト洗 浄 工 程 が 異 な る が,純 水 リ ン ス 後 のSi基 板 の 表 面 状 態 を 赤 外 分 光 法 で 観 察 し,(oo1)Si基 板 は(111)基 板 よ り も 汚 染 さ れ や す い と い う 結 果 が 得 て い る5。).

(2)基 板 温 度 な ら び に 分 子 線 入 射 量 が ス テ ッ プ バ ン チ ン グ に 及 ぼ す 影 響

ス テ ッ プ フ ロ0成 長 と は,図3.19(a)に 示 す よ う に,付 着 分 子 が 基 板 の 原 子 層 ス テ ッ プ に 沿 っ て の み 成 長 す る た め,見 か け 上 は ス テ ッ プ が 前 進 す る.ス テ ッ プ フ ロ ー 成 長 の 起 点 と な る 原 子 層 ス テ ッ プ と は,主 に 基 板 の 面 方 位 ず れ に よ っ て 形 成 さ れ た も の で あ る.分 子 線 が 基 板 表 面 に 一 様 に 入 射 す る と い う 理 想 的 な 条 件 の も と で ,か っ す べ て の ス テ ッ プ の 成 長 速 度 が 一 様 と な れ ば ,個 々 の ス テ ッ プ が 前 方 に 移 動 す る だ け な の で,基 板 面 全 体 の 表 面 形 状 に ほ と ん ど 変 化 は な い .し か し,ス テ ッ プ フ ロ ー 成 長 に お い て は,図3.19(b)に 示 す よ う な ス テ ッ プ バ ン チ ン グ と 呼 ば れ る 上 段 と 下 段 の ス テ ッ プ が 重 な る 現 象 が 生 じ る こ と が あ る103}‑105'IH}‑1161」56).ス テ ッ フ'バ ン チ ン グ が 繰 り 返 さ れ れ ば,ス テ ッ プ は よ り 高 く,そ し て テ ラ ス も 長 く な る .(ll1)Si基 板 の 場 合 に は, 基 板 の 面 方 位 ず れ に よ っ て 発 生 す る 原 子 層 ス テ ッ プ の 高 さ は0 .31nmで あ る.図3.6で 示 し た エ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 面 に よ れ ば,創 成 さ れ た ス テ ッ プ 列 の 高 さ が ほ ぼlnm以 上

で あ っ た こ と か ら,エ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 面 を 覆 っ て い た ス テ ッ プ 列 は 原 子 層 ス テ ッ プ が バ ン チ ン グ さ れ た 形 状 で あ る と 考 え ら れ る .

ス テ ッ プ バ ン チ ン グ は ,エ ビ タ キ シ ャ ル 成 長 に よ る ス テ ッ プ 前 進 過 程 と 同 様 に ,ス テ ッ プ 端 か ら の 分 子 の 蒸 発 あ る い は 昇 華 に よ る ス テ ッ プ 後 退 過 程 に お い て も 発 生 す る

こ と が 明 ら か と な っ て い る 田 川2}.ス テ ッ プ バ ン チ ン グ の 発 生 機構 と し て は ,ス テ ッ プ

の 上 段 側 の テ ラ ス よ り も 下 段 側 の テ ラ ス の 方 が 分 子 の や り 取 り が 容 易 で あ る と の 仮 定 に 基 づ い た シ ュ ウ ェ ー ヴ ェ ル 効 果 な ど 提 案 さ れ て い る が

,エ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 過 程 の 場 合 に は 適 用 で き な い こ と が 多 く ,ス テ ッ プ バ ン チ ン グ 発 生 機 構 の 詳 細 は 明 ら か に

さ れ て い な い 状 況 で あ る.

基 板 温 度750℃ 〜850℃ の エ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 面 に お け る 主 要 な ス テ ッ プ 端 形 状 を 図3・20に 示 す ・ 基 板 温 度 が 高 い ほ ど ,よ りテ ラ ス の 長 い ス テ ッ プ が 形 成 さ れ て い る. ま/"図3・7で 示 し た よ う に ・ 基 板 温 度 力塙 い ほ ど

,よ り 高 い ス テ ッ プ が 形 成 さ れ て い る ・ し た が っ て,付 着 分 子 の エ ネ ル ギ ー が 大 き く な る ほ ど

,バ ン チ ン グ さ れ る ス

Adsorbed molecule

Epitaxially grown molecule

Surface migration

Initial step with atomic .Initial terrace length layer in height

(a) Before step-bunching Substrate surface Atomic layer stepSurface migrationPiled step

Fig. 3.19

(b) After step-bunching

Models of step-bunching in step-flow growth

d step)

テ ッ プ 数 が 多 く な る と 考 え ら れ る.す べ て の 基 板 温 度 で ス テ ッ プ フ ロ0成 長 が 生 じ て い た と 仮 定 し,上 述 の 考 え 方 を 基 板 温 度600℃ な ら び に700℃ の エ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 面(図3.6(b)お よ び(c))に 適 用 す る と,こ れ ら の エ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 面 がRaで0.1〜

0.5nm程 度 の 平 坦 面 が 創 成 さ れ た こ と が 説 明 で き る.す な わ ち,そ れ ら の 基 板 温 度 で MBE成 長 さ せ た 場 合,エ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 中 に バ ン チ ン グ さ れ る ス テ ッ プ 数 が 十 分 に 少 な く,大 き な ス テ ッ プ が 形 成 さ れ ず,結 果 的 に 平 坦 な 面 が 創 成 さ れ た も の と 考 え ら れ る.こ れ ら の エ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 面 を 超 高 真 空 環 境 下 でSTMを 用 い れ ば,テ ラ ス 長 さ な ら び に ス テ ッ プ 高 さ がlnm以 下 の 微 細 構 造 観 察 で き る と 考 え ら れ る が1.i4)…li6), 本 実 験 装 置 で 行 う こ と は で き な か っ た.

図3.10(c)お よ び(d)で 示 し た 基 板 温 度800℃,分 子 線 入 射 量 0.5×10i4atoms/(s℃m')な ら び に1.0×1014atoms/(s・cmV)でMBE成 長 さ せ た 表 面 の ス テ ッ プ 端 形 状 を 図3.21に 示 す.分 子 線 入 射 量 が 低 い ほ ど,テ ラ ス は 短 く,か っ ス テ ッ プ 高 さ も 低 い こ と か ら,バ ン チ ン グ さ れ る ス テ ッ プ 数 は,基 板 温 度 と 同 様 に 分 子 線 入 射 量 に も 依 存 し て い る と 考 え ら れ る.こ の 考 え 方 に 基 づ け ば,基 板 温 度750℃ や 800℃ に お い て も,1.Ox10'aatoms/(s・cm̀)よ り も さ ら に 高 い 分 子 線 入 射 量 でMBE成 長 さ せ れ ば,基 板 温 度600℃ の 場 合 と 同 程 度 ま で バ ン チ ン グ さ れ る ス テ ッ プ 数 を 低 く す る こ と が 期 待 で き る.す な わ ち,エ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 面 の 結 晶 性 が よ り 良 好 と な る 基 板 温 度750℃ 以 上 で も,基 板 温 度600℃ の 場 合 の よ う な 平 坦 面 が 創 成 で き る と 考 え

ら れ る.

基 板 温 度 な ら び に 分 子 線 入 射 量 が ス テ ッ プ バ ン チ ン グ 機 構 に 及 ぼ す 影 響 は,後 述 す る3.5.4項 に お い て 付 着 分 子 の 表 面 拡 散 距 離 の 観 点 か ら 詳 細 に 解 析 し て い る.

(3)ス テ ッ プ 形 状 に 関 す る 考 察

基 板 温 度750℃ お よ び800℃,分 子 線 入 射 量o.s×1014atoms/(s・cm2)で 成 長 さ せ た 表 面 の ス テ ッ プ 列 は,三 角 形 あ る い は 台 形 が 連 な っ た 鱗 状 ス テ ッ プ 列 で あ っ た(図 3.20).こ れ ら の ス テ ッ プ を 詳 細 に 観 察 す る と ,三 角 形 お よ び 台 形 を 構 成 す る辺 の 法 線 方 向 は ・[?11],[121]お よ び[了 丁2]で あ っ た .す な わ ち,ス テ ッ ブ 部 に は[01丁], [110)お よ び[101]晶 帯 の 結 晶 面 が 形 成 さ れ て い た も の と 考 え ら れ る .こ の こ と は, (001)基 板 の 場 合 と 同 様 に,(111)基 板 上 の ス テ ッ プ フ ロ ー 成 長 も 結 晶 異 方 性 を 有 し て お り,か つ 表 面 原 子 配 列 に 基 づ い て 結 晶 面 が 形 成 さ れ た こ と を 示 唆 し て い る

.

乙『 ツブ 側面 と水平 面 が な す 角 度 を調 べ た と こ ろ,台 形 の 対 辺 部 で あ る[2丁丁]およ び[Il2]方 向 の ス テ ッ プ で は6〜8。 ,そ し て 台 形 の 上 底 部 で あ る[1?1]方 向 の ス テ ッ プ で は4〜7。 に そ れ ぞ れ 分 布 し て い た .同 方 向 の(111)近 傍 で 低 指 数 の 結 晶 面 は , {533},〔211},{311}・{221},{331},お よ び{551}な ど が 存 在 す る が

,い ず れ も(111)と な す 角 度 は10。 以 上 で あ る .し た が っ て ,ス テ ッ プ 側 面 は 特 定 の 低 指 数 面 の フ ァ セ ッ ト の み で は 形 成 さ れ て い な い と 考 え ら れ る

.た だ し,(001)基 板 に 創 成 さ れ た 核 の 側 面 と 同 様 に ・ ス テ ッ プ 側 面 は 原 子 レ ベ ル の 凹 凸 が 多 数 存 在 し て い る

.す な わ ち

・ 上 述 の 低 指 数 面 の フ ァ セ ッ ト と(111)面 あ る い は 高 指 数 面 が 交 互1こ 現 わ れ た 微 糸騰 造 が 形 成 さ れ て い る 可 能 性 が あ る が

,こ れ ら を 検 証 す る こ と は で き な カ、っ た .ま

ドキュメント内 騨藝歪 頑 (ページ 64-75)